加州大學(xué)洛杉磯分校瓊森綜合癌癥中心的研究人員說，他們已經(jīng)開發(fā)出一種簡單、高通量的方法，將分離的線粒體及其相關(guān)的線粒體DNA轉(zhuǎn)移到哺乳動(dòng)物細(xì)胞中。

這種方法使研究人員能夠定制細(xì)胞的關(guān)鍵基因成分，以研究和潛在地治療衰弱性疾病，如癌癥、糖尿病和代謝紊亂。

研究小組在細(xì)胞報(bào)告中發(fā)表了他們的研究報(bào)告，“壓力驅(qū)動(dòng)的線粒體轉(zhuǎn)移管道產(chǎn)生具有所需基因組合和命運(yùn)的哺乳動(dòng)物細(xì)胞”，并描述了加州大學(xué)洛杉磯分校開發(fā)的名為MitoPunch的新裝置如何將線粒體同時(shí)轉(zhuǎn)移到100000個(gè)或更多的受體細(xì)胞中，這是一個(gè)顯著的改進(jìn)從現(xiàn)有的線粒體轉(zhuǎn)移技術(shù)。這個(gè)裝置是加州大學(xué)洛杉磯分校的科學(xué)家們持續(xù)努力的一部分，他們通過開發(fā)可控的、操縱性的方法來理解線粒體DNA的突變，從而改善人類細(xì)胞的功能或更好地模擬人類線粒體疾病。

產(chǎn)生具有所需線粒體DNA（mtDNA）序列的哺乳動(dòng)物細(xì)胞有助于研究線粒體、疾病模型和潛在的再生療法。MitoPunch是一種高通量的線粒體轉(zhuǎn)移裝置，通過將小鼠或人類細(xì)胞中分離出來的線粒體轉(zhuǎn)移到原代或永生的線粒體缺失（ρ0）細(xì)胞中，產(chǎn)生具有特定線粒體DNA-核DNA（nDNA）組合的細(xì)胞。

在限制性培養(yǎng)基中分離的穩(wěn)定的分離線粒體受體（SIMR）細(xì)胞永久保留供體mtDNA并新生。然而，盡管在限制性培養(yǎng)基中生長，SIMR成纖維細(xì)胞仍維持ρ0樣細(xì)胞代謝組和轉(zhuǎn)錄組。我們將非永生的SIMR成纖維細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs），隨后分化為多種功能細(xì)胞類型，包括間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）、脂肪細(xì)胞、成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞。在重新編程和分化后，SIMR成纖維細(xì)胞在分子和表型上類似于通過相同方案攜帶的未操縱的對照成纖維細(xì)胞。”

因此，我們的MitoPunch‘流水線’能夠生產(chǎn)具有獨(dú)特mtDNA-nDNA組合的SIMR細(xì)胞，可用于多種細(xì)胞類型的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。”

加州大學(xué)洛杉磯分校大衛(wèi)格芬醫(yī)學(xué)院的博士研究生，該研究的第一作者之一Alexander Sercel說：“產(chǎn)生具有所需線粒體DNA序列的細(xì)胞的能力對于研究線粒體和細(xì)胞核中的基因組如何相互作用以調(diào)節(jié)細(xì)胞功能非常重要，這對于理解和潛在治療患者疾病至關(guān)重要。”

線粒體DNA的遺傳或獲得性突變可損害能量的產(chǎn)生，并可能導(dǎo)致衰弱性疾病。操縱線粒體DNA的技術(shù)落后于操縱細(xì)胞核DNA的技術(shù)，可能有助于科學(xué)家開發(fā)疾病模型和對這些突變引起的疾病進(jìn)行再生治療。

然而，據(jù)加州大學(xué)洛杉磯分校的科學(xué)家說，目前的方法是有限和復(fù)雜的，大部分只能將含有所需線粒體DNA序列的線粒體輸送到數(shù)量有限、種類繁多的細(xì)胞中，世衛(wèi)組織說，MitoPunch裝置操作簡單，允許從不同供體細(xì)胞類型分離的大量線粒體向多種受體細(xì)胞類型進(jìn)行一致的線粒體轉(zhuǎn)移，即使是非人類物種，包括從小鼠分離的細(xì)胞。

第一作者之一、加州大學(xué)洛杉磯分校博士后亞歷山大·帕塔納南博士（Alexander Patananan，PhD）指出：“MitoPunch與其他技術(shù)的區(qū)別在于，它能夠設(shè)計(jì)出非永生、非惡性細(xì)胞，如人類皮膚細(xì)胞，以生成獨(dú)特的線粒體DNA核基因組組合,這一進(jìn)展使我們能夠研究特定線粒體DNA序列對細(xì)胞功能的影響，同時(shí)使這些細(xì)胞重新編程為誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞，然后分化為功能性脂肪細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和骨細(xì)胞.”

MitoPunch是由Jonsson癌癥中心主任、病理學(xué)和實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)教授Michael Teitell博士、加州大學(xué)洛杉磯分校Henry Samueli工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院機(jī)械和航空航天工程教授Pei Yu（Eric）Chiou博士和ImmunityBio的Ting Xiang Wu教授的實(shí)驗(yàn)室共同研發(fā)。

MitoPunch建立在先前的技術(shù)和一種稱為光熱納米刀片的設(shè)備上，該團(tuán)隊(duì)于2016年開發(fā)了這種設(shè)備。但與光熱納米刀片不同的是，它需要復(fù)雜的激光和光學(xué)系統(tǒng)來操作，MitoPunch的工作原理是利用壓力推動(dòng)一個(gè)孤立的線粒體懸浮液通過一個(gè)覆蓋著細(xì)胞的多孔膜。

研究人員指出，這種施加的壓力梯度產(chǎn)生了在離散位置刺穿細(xì)胞膜的能力，允許線粒體直接進(jìn)入受體細(xì)胞，然后進(jìn)行細(xì)胞膜修復(fù)。

“當(dāng)我們第一次制造光熱納米刀片時(shí)，我們就知道我們需要一個(gè)更高的吞吐量、更簡單易用的系統(tǒng)，讓其他實(shí)驗(yàn)室更容易組裝和操作，”泰特爾說，他還是兒科和發(fā)育病理學(xué)部門的負(fù)責(zé)人，也是加州大學(xué)洛杉磯分校廣泛干細(xì)胞研究中心的成員。“這種新設(shè)備非常有效，使研究人員能夠以一種簡單的方式研究線粒體基因組——將其從一個(gè)細(xì)胞交換到另一個(gè)細(xì)胞——可以用來揭示控制廣泛細(xì)胞功能的基本生物學(xué)，并有一天為治療線粒體DNA疾病帶來希望。”