Mitochondrien (Mitochondrium) sind die „Energiefabrik“ der Zelle. Die Mitochondrien enthalten eine Reihe genetischen Materials, -- mitochondriale DNA (mtDNA), die unabhängig vom Zellkern ist. Aufgrund der wichtigen Rolle der Mitochondrien bei der Energiehomöostase können mitochondriale Störungen zu zahlreichen Krankheiten führen, darunter Entwicklungsstörungen, neuromuskuläre Erkrankungen, Stoffwechselerkrankungen, Krebsentwicklung usw.
Obwohl Wissenschaftler seit langem wissen, dass Mitochondrien eine entscheidende Rolle im Stoffwechsel und der Energieproduktion von Krebszellen spielen, ist bisher wenig über die Beziehung zwischen der strukturellen Organisation des mitochondrialen Netzwerks und seiner funktionellen bioenergetischen Aktivität auf Tumorebene bekannt.
Forscher der University of California in Los Angeles veröffentlichten kürzlich im Fachjournal „Nature“ einen Forschungsartikel mit dem Titel: „Räumliche Kartierung mitochondrialer Netzwerke und Bioenergetik bei Lungenkrebs“.
Diese Studie verwendet Positronen-Emissions-Tomographie (PET) in Verbindung mit Elektronenmikroskopie, um eine 3-dimensionale Superauflösungskarte des mitochondrialen Netzwerks in genetisch veränderten Lungentumoren von Mäusen zu erstellen. Das Forschungsteam verwendete Deep-Learning-Technologie (Deep Learning), um Tumore anhand der mitochondrialen Aktivität und anderer Faktoren zu klassifizieren und die mitochondriale Struktur von Hunderten von Zellen und Tausenden von Mitochondrien im gesamten Tumor zu quantifizieren.
Das Team untersuchte zwei Hauptsubtypen von -- Lungenadenokarzinom (LUAD) und Lungenplattenepithelkarzinom (LUSC) bei nicht-kleinzelligem Lungenkrebs (NSCLC) und identifizierte unterschiedliche Untergruppen mitochondrialer Netzwerke in diesen Tumoren. Wichtig ist, dass sie herausfanden, dass Mitochondrien oft mit Lipidtröpfchen organisiert sind, um einzigartige subzelluläre Strukturen zu bilden, die den Tumorzellstoffwechsel und die mitochondriale Aktivität unterstützen.
Mitochondrien sind für die Steuerung des Stoffwechsels und der Bioenergetik in Krebszellen von entscheidender Bedeutung. Sie bilden hochorganisierte Netzwerke, deren bioenergetische Kapazität von der Struktur ihrer inneren und äußeren Membranen abhängt. Studien zur strukturellen Organisation mitochondrialer Netzwerke und ihrer bioenergetischen Aktivität in vivo sind jedoch nach wie vor rar.
In dieser Studie verwendete das Forschungsteam eine integrierte Plattform bestehend aus Positronen-Emissions-Tomographie-Bildgebung, Respirometrie und dreidimensionaler Rasterblock-Oberflächenelektronenmikroskopie, um eine strukturelle und funktionelle In-vivo-Analyse des mitochondrialen Netzwerks und des bioenergetischen Phänotyps von nicht-kleinzelligem Lungenkrebs (NSCLC) durchzuführen.
Die verschiedenen Bioenergiephänotypen und Stoffwechselabhängigkeiten, die das Forschungsteam in NSCLC-Tumoren identifizierte, stehen im Einklang mit der ausgeprägten strukturellen Organisation des vorhandenen mitochondrialen Netzwerks. Darüber hinaus ergab die Studie, dass das mitochondriale Netzwerk in Tumorzellen in unterschiedliche Regionen organisiert ist.
In Tumoren mit hoher oxidativer Phosphorylierung und hohen Fettsäureoxidationsraten wurde ein mitochondriales Netzwerk um Tröpfchen herum gefunden, die mit Lipidtröpfchen in Kontakt kommen und diese umgeben. In Tumoren mit niedrigen oxidativen Phosphorylierungsraten reguliert dagegen ein hoher Glukosefluss die perinukleäre Lokalisierung von Mitochondrien, die strukturelle Umgestaltung der Cristae und die mitochondriale Atmungskapazität. Diese Ergebnisse legen nahe, dass das mitochondriale Netzwerk in unterschiedliche Subpopulationen unterteilt ist, die die bioenergetische Kapazität von Tumoren steuern.
Das Team sagt, die Studie sei der erste Schritt zur Erstellung einer hochauflösenden dreidimensionalen Karte von Lungenkrebs unter Verwendung eines genetisch veränderten Mausmodells. Mithilfe dieser Karten hat das Forschungsteam begonnen, strukturelle und funktionelle Karten von Lungentumoren zu erstellen, die helfen können zu verstehen, wie Tumorzellen ihre Zellstrukturen als Reaktion auf den hohen Stoffwechselbedarf des Tumorwachstums strukturell organisieren. Diese Erkenntnisse liefern auch wichtige Informationen über die mitochondriale Funktion in Krebszellen und versprechen neue Informationen und verbesserte Ansätze für aktuelle Krebsbehandlungsstrategien, während sie eine neue Richtung für die Bekämpfung von Lungenkrebs aufzeigen.
Dr. Han Mingqi, der Hauptautor des Artikels, sagte, die Studie habe neue Erkenntnisse über den Stoffwechselfluss bei Lungenkrebs gewonnen und gezeigt, dass die Ernährungspräferenzen von Lungenkrebszellen durch die subzelluläre Kompartimentierung ihrer Mitochondrien und anderer Organellen, entweder Glukose oder freie Fettsäuren, bestimmt werden könnten. Diese Erkenntnis hat wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung wirksamer Krebstherapien, die auf tumorspezifische Ernährungspräferenzen abzielen. Der multimodale Bildgebungsansatz ermöglicht es uns, diesen bisher unbekannten Aspekt des Krebsstoffwechsels aufzudecken, und wir glauben, dass er auch auf andere Krebsarten angewendet werden kann, was den Weg für weitere Forschung auf diesem Gebiet ebnet.
