Nano-Blumen steigern den mitochondrialen Transfer und fördern die zelluläre Energie-Wiederherstellung

In der aufstrebenden Disziplin der regenerativen Medizin haben Forscher des Fachbereichs Biomedizinische Technik an der Texas A&M University einen neuartigen Ansatz entwickelt. Dieser nutzt gezielt Nanomaterialien, um den natürlichen Transfer von Mitochondrien zwischen Zellen signifikant zu intensivieren. Die Ergebnisse dieser wegweisenden Arbeit wurden im renommierten Fachjournal „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) publiziert. Im Zentrum der Forschung stehen mikroskopisch kleine, blumenförmige Partikel, die aus Molybdändisulfid (MoS₂) gefertigt wurden. Diese Partikel fungieren als Katalysatoren, um Stammzellen in sogenannte „Mitochondrien-Biofabriken“ umzuwandeln. Die Leitung dieses wegweisenden Projekts obliegt Professor Akhilesh K. Gaharwar, wobei der Doktorand John Sukar als Erstautor der Studie fungiert.

Das Herzstück dieser innovativen Methodik bildet der Einsatz von MoS₂-Nanoblumen, die gezielt mit atomaren Defekten versehen wurden. Sobald diese Partikel von den Zellen aufgenommen werden, setzen sie zelluläre Signalwege in Gang, die den Biogeneseprozess der Mitochondrien anregen. Konkret wird die SIRT1/PGC‑1α-Achse in den Spenderzellen stimuliert. Dies führt zu einer bemerkenswerten Verdopplung der Mitochondrienproduktion sowie einer Erhöhung der mitochondrialen DNA innerhalb dieser Spenderzellen. Professor Gaharwar betont, dass dieser Mechanismus gesunde Zellen quasi „darauf trainiert“, ihre Energiereserven zu teilen, ohne dass hierfür genetische Veränderungen oder pharmazeutische Wirkstoffe notwendig sind. Dies stellt einen erheblichen Vorteil für eine potenzielle spätere klinische Anwendung dar.

Die quantitativen Daten, die im Rahmen der Untersuchung präsentiert wurden, belegen eindrücklich, dass die Effizienz des mitochondrialen Transfers durch die Zugabe der Nanoblumen um ein Vielfaches höher ist als der spontane Austausch zwischen Zellen. Diese massive Steigerung des Transfers verbessert die respiratorische Kapazität und die Adenosintriphosphat (ATP)-Produktion in den Empfängerzellen unter physiologischen Bedingungen merklich. In Labormodellen, die zelluläre Schädigungen simulierten, förderte der intensivierte mitochondriale Austausch die Wiederherstellung der ATP-Synthese und führte zu einer erhöhten Zellüberlebensrate.

Diese technologische Errungenschaft ist von kritischer Bedeutung für die zukünftige Behandlung von Erkrankungen, die auf einem mitochondrialen Funktionsverlust beruhen. Dazu zählen altersbedingte Prozesse, Kardiomyopathie sowie neurodegenerative Leiden wie die Alzheimer-Krankheit. Aktuell befindet sich die Forschung noch in der präklinischen Phase, genauer gesagt im in vitro Stadium als Machbarkeitsnachweis. Die Wissenschaftler müssen nun noch die optimalen therapeutischen Dosierungen und die notwendige Frequenz möglicher Behandlungen ermitteln. Molybdändisulfid, eine zweidimensionale anorganische Verbindung, wird in der Biomedizin ohnehin intensiv erforscht, da es die Fähigkeit besitzt, reaktive Sauerstoffspezies (ROS) zu modulieren und eine gute Biokompatibilität aufweist. Dies untermauert die Annahme, dass das Nanomaterial aktiv in zelluläre Vorgänge eingreift und nicht nur ein passiver Träger ist.

Bereits zuvor hatte das Forschungsteam um Professor Gaharwar die Stimulation mitochondrialer Funktionen durch atomare Defekte in Nanoblumen nachgewiesen. Diese frühere Arbeit wurde im September 2024 im Journal „Nature Communications“ veröffentlicht. Die Finanzierung der aktuellen Studie stammt aus diversen Quellen, darunter die National Institutes of Health und das US-Verteidigungsministerium. Dies signalisiert das breite Interesse verschiedener Institutionen an dieser vielversprechenden Form der Organellen-Therapie.