京都府立医科大学开发线粒体疾病中正常替换线粒体DNA的技术

京都府立医科大学5月27日宣布，已开发出一种技术，可使用可临床应用于体细胞的方法来替代线粒体 DNA。这项研究是由同大大学院医学研究科人工臓器・心臓移植再生医学講座五條理志教授、上大介講師、同循環器内科学前田英貴研修員、前田遼太朗研修員、志熊明大学院生的研究小组共同研究进行。研究成果发表在《科学报告》上。

线粒体被广泛认为是存在于所有细胞中的能量供应器官，并通过控制细胞死亡和充当炎症和免疫中枢等功能参与各种疾病。它是唯一具有遗传信息(线粒体DNA)的细胞器，并且该遗传信息中的突变会导致严重的功能障碍(线粒体疾病)。

线粒体疾病是一种罕见且难治的疾病，其病程和预后无法完全预测，因为它根据突变位点具有多种综合征。迄今为止，还没有治愈线粒体疾病的方法。

使用人类成纤维细胞成功创建线粒体 DNA 替代细胞 (MirCs)

该研究小组引入了一种编码蛋白质的基因序列，该蛋白质融合了一种限制性内切酶，该酶识别并切割线粒体DNA的特定序列进入人成纤维细胞，以及当存在于细胞中时被转运至线粒体的序列，减少的线粒体DNA。结果，细胞能够通过共培养增强其吞噬能力并将外源分离的线粒体的内化提高到常规方法无法达到的水平。

此外，内源性线粒体形成了接受外源性线粒体DNA的生态位，短时间内线粒体DNA恢复到原来的数量，其中大部分以外源性DNA为主。这些细胞被称为线粒体 DNA 替代细胞 (MirCs)。发现产生的MirCs 可以恢复由于线粒体 DNA 减少而降低的增殖能力和呼吸功能。

线粒体疾病患者来源的MirCs 将线粒体呼吸功能恢复到与健康人相当的水平

因此，该研究小组使用来自线粒体 DNA 编码的呼吸链复合体 I 发生突变的线粒体疾病患者的皮肤成纤维细胞创建了MirC，并使用从没有突变的细胞中分离出的线粒体作为供体。线粒体DNA(异质性)突变的细胞比例为90%或更多，但被替换到健康线粒体DNA占75%的程度。

就分裂数而言，停止MirC 增长的时间几乎翻了一番。MirCs 将线粒体呼吸链复合体 I 功能障碍改善到与线粒体供体细胞相当的水平。此外，与先天免疫密切相关的炎性细胞因子在原始细胞中升高，但MirCs 降低到与健康成纤维细胞相当的水平。

线粒体DNA置换技术表明不会发生逆转

在辅助生殖技术中，已经表明来自第三方的线粒体可以预防线粒体疾病的发生，但有一种现象(Reversion)改变了异质性，使得少数剩余的内源性线粒体DNA再次成为显性，令人担忧。

使用来自线粒体疾病患者细胞的健康线粒体 DNA 替换MirCs，制备和培养iPS细胞长达半年。结果，异质性保持稳定。这表明本研究中建立的体细胞线粒体 DNA 置换技术不会导致逆转。

外来线粒体与内源性线粒体进行短期接触以取代DNA

然后，在MirCs 的生产中，为了确认线粒体 DNA 是如何移植到细胞中的，外来线粒体的蛋白质成分和与线粒体 DNA 形成复合物的蛋白质成分被荧光标记，并用超精细显微镜随着时间的推移进行观察。

外来线粒体与内源性线粒体进行短期接触，在此接触过程中，线粒体 DNA 迁移至内源性线粒体。证实丢失线粒体DNA的外源线粒体在短时间内崩溃。这种Kissing-Away等现象被认为是原核生物的基因水平转移发生在真核生物的细胞质中的现象。

为线粒体病患者规划临床试验

该研究可能会导致构建由线粒体 DNA 突变引起的线粒体疾病的治疗方法。这项研究的结果已于 2019 年 8 月提交并注册在国际专利中，波士顿Imel Biotherapeutics, Inc. 计划在线粒体疾病患者中进行临床试验，该公司正在进行联合研究。此外，线粒体与免疫衰老有着极其密切的关系，并且已经得到第三方证实该技术可以应用于T细胞，并且已经创建了与GMP兼容的SOP。

目前，Imel Biotherapeutics, Inc. 的子公司 Imel Therapeutics Japan 正计划将其开发用于治疗免疫疾病和癌症。