Митохондриите (mitochondrion) са "енергийната фабрика" на клетката. Митохондриите съдържат набор от генетичен материал, -- митохондриална ДНК (mtDNA), който е независим от ядрото. Поради важната роля на митохондриите в енергийната хомеостаза, митохондриалните нарушения могат да доведат до множество заболявания, включително нарушения в развитието, нервно-мускулни заболявания, метаболитни заболявания, прогресия на рака и т.н.
Въпреки че учените отдавна знаят, че митохондриите играят решаваща роля в метаболизма и производството на енергия от раковите клетки. Досега обаче малко се знае за връзката между структурната организация на митохондриалната мрежа и нейната функционална биоенергийна активност на общото туморно ниво.
Изследователи от Калифорнийския университет в Лос Анджелис наскоро публикуваха изследователска статия в списание Nature, озаглавена: Пространствено картографиране на митохондриални мрежи и биоенергетика при рак на белия дроб.
Това изследване използва позитронно-емисионна томография (PET), съчетана с електронна микроскопия, за генериране на 3-измерна карта със супер разделителна способност на митохондриалната мрежа в генетично модифицирани миши белодробни тумори. Изследователският екип използва технология за дълбоко обучение (Deep Learning), за да класифицира тумори въз основа на митохондриалната активност и други фактори, за да определи количествено митохондриалната структура на стотици клетки и хиляди митохондрии в целия тумор.
Екипът изследва два основни подтипа на -- белодробен аденокарцином (LUAD) и белодробен плоскоклетъчен карцином (LUSC) при недребноклетъчен белодробен рак (NSCLC) и идентифицира различни подгрупи от митохондриални мрежи в тези тумори. Важно е, че те откриха, че митохондриите често са организирани с липидни капчици, за да създадат уникални субклетъчни структури, които поддържат метаболизма на туморните клетки и митохондриалната активност.
Митохондриите са от съществено значение за контрола на метаболизма и биоенергетиката в раковите клетки, образувайки високо организирани мрежи, в които техните вътрешни и външни мембранни структури определят техния биоенергиен капацитет. Въпреки това проучванията, описващи структурната организация на митохондриалните мрежи и тяхната биоенергийна активност in vivo, остават ограничени.
В това проучване изследователският екип използва интегрирана платформа, състояща се от изображения с позитронна емисионна томография, респирометрия и триизмерна сканираща блокова повърхностна електронна микроскопия, за да извърши in vivo структурен и функционален анализ на митохондриалната мрежа и биоенергийния фенотип на недребноклетъчен рак на белия дроб (NSCLC).
Различните биоенергийни фенотипове и метаболитна зависимост, идентифицирани от изследователския екип при NSCLC тумори, са в съответствие с различната структурна организация на наличната митохондриална мрежа. Освен това, проучването разкри, че митохондриалната мрежа е организирана в отделни региони в туморните клетки.
Митохондриална мрежа, заобикаляща капчици, които контактуват и обграждат липидните капчици, беше открита в тумори с високо окислително фосфорилиране и скорости на окисляване на мастни киселини. Докато при тумори с ниски нива на окислително фосфорилиране, високият глюкозен поток регулира перинуклеарната локализация на митохондриите, структурното ремоделиране на кристалите и митохондриалния респираторен капацитет. Тези резултати предполагат, че митохондриалната мрежа е разделена на отделни субпопулации, които контролират биоенергийния капацитет на туморите.
Екипът казва, че проучването представлява първата стъпка в генерирането на триизмерна карта с висока разделителна способност на рак на белия дроб, използвайки генетично модифициран модел на мишка. Използвайки тези карти, изследователският екип започна допълнително да създава структурни и функционални карти на белодробни тумори, които могат да помогнат да се разбере как туморните клетки структурно организират своите клетъчни структури в отговор на високите метаболитни изисквания на туморния растеж. Тези констатации също предоставят ключова информация за митохондриалната функция в раковите клетки, обещавайки да предоставят нова информация и подобрени подходи за настоящите стратегии за лечение на рак, като същевременно сочат нова посока за насочване към рака на белия дроб.
Д-р Han Mingqi, водещият автор на статията, каза, че проучването е открило ново в метаболитния поток на рака на белия дроб, разкривайки, че хранителните предпочитания на клетките на рак на белия дроб може да се определят от субклетъчното разделяне на техните митохондрии и други органели, глюкоза или свободни мастни киселини. Това откритие има важни последици за разработването на ефективни противоракови терапии, които са насочени към специфичните за тумора хранителни предпочитания. Мултимодалният подход за изобразяване ни позволява да разкрием този неизвестен досега аспект на метаболизма на рака и ние вярваме, че може да се приложи и към други видове рак, проправяйки пътя за по-нататъшни изследвания в тази област.
