許多疾病的發生都與粒線體的損傷有關係,粒線體損傷後很容易造成細胞的死亡,很多重要器官一旦細胞死亡後,就很難再生與修復,也因此「再生醫學」就提供給病人一個治療的希望。現今最為人所知的再生醫學便是幹細胞療法,許多的研究與臨床也證實透過幹細胞療法可以修復損傷的組織使功能恢復。
粒線體再生醫學是一種利用優質外源健康粒線體進行移植/治療的新型再生療法。它是一種基於細胞器的再生藥物,可以進入細胞,替換受損細胞功能失調的粒線體,改善受損/老化的細胞功能,是比幹細胞更先進更高端的技術。
粒線體與幹細胞的差別
「粒線體再生療法」則是近年來備受重視與關注的再生醫療技術,同時也開啟粒線體醫療應用新的里程碑。許多先端的醫療團隊發現,直接給予健康的粒線體到損傷區域:包括心臟、腦、肺等,可讓損傷的細胞得到健康的粒線體,改善受損的組織讓器官恢復功能。也可視為無細胞療法(cell-free therapy),與幹細胞相比,粒線體更小是奈米級且具更低體基因、血管栓塞、免疫排斥和腫瘤形成的風險。
【圖】粒線體與幹細胞的差別
治療機制
是在損傷區域,給予「健康外援粒線體」,透過細胞的內化作用(Endocytosis),將粒線體吞到細胞內,此時外援粒線體與細胞內原有損傷的粒線體進行融合(Fusion),將損傷的粒線體進行修復,然後將受損粒線體分裂(Fission)的方式移除與代謝,由此方式恢復粒線體的數目與功能。
應用疾病
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阿茲海默症治療應用
阿茲海默症是一種非單一因素所產生的神經退化性疾病,會影響許多腦部細胞的生化反應,包含澱粉樣蛋白β聚集、神經纖維糾結、氧化壓力和神經發炎症狀等,最終導致神經元死亡,造成負責記憶的海馬迴萎縮,進一步引發整個腦部的病變。由於神經元高度依賴粒線體來產生能量維持生存力,當粒線體損傷後就可能引起上述病灶產生。
由於阿茲海默症的致病原因相當複雜,在藥物開發上,目前研究指出並沒有出現有效治療阿茲海默症患者的藥物。為了減少單一藥物對治療阿茲海默症療效較差,科學家們提出移植活躍的完整粒線體作為治療疾病的方法。研究發現,接受「粒線體重建療法」的阿茲海默症小鼠,腦細胞內粒線體功能指標檸檬酸鹽合酶和細胞色素C氧化酶活性也明顯上升,海馬迴神經元損失明顯減少,神經膠質也有減少的現象,也可減少認知障礙。因此,「粒線體重建療法」也為阿茲海默症提出新的希望。
【圖】「粒線體重建療法」治療後,患有阿茲海默症的小鼠記憶能力(左圖)與認知能力(右圖)皆有明顯的改善
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帕金森氏症治療應用
帕金森氏症是大腦中黑質區裡,專門產生多巴胺的神經元死亡,致使無法產生多巴胺,造成運動失能等狀況。遺傳與環境危險因子都可能造成多巴胺神經元死亡,其中掌控細胞命運的就是粒線體。健康狀況下,損傷粒線體可以被代謝,但當損傷修復機制損壞後,粒線體的損傷就持續被累積,導致大量氧化壓力增加、最後粒線體無法產生能量,造成多巴胺神經元死亡。目前臨床治療方式,為直接或間接增加多巴胺的活性,以緩解運動失能的狀況,但是對已死亡的多巴胺神經元是無法挽救的。研究發現,給予外援的粒線體治療,發現帕金森氏症大鼠,腦內多巴胺神經元數量恢復、粒線體功能性蛋白也增加,且帕金森氏症大鼠的運動的能力顯著的提升,有效減少帕金森氏症造成的運動失能的狀況,由此可知「粒線體重建療法」對帕金森氏症的治療提出一個新的方向。
【圖】「粒線體重建療法」後黑質區多巴胺神經元數量增加。(左圖)紅色為多巴胺神經元。(右圖)為左圖量化圖
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脊髓損傷治療應用
脊髓是腦部延伸出來的週邊神經系統,脊髓在特定節段所進與出的脊神經可以控制身體特定部位。最上端為頸髓控制呼吸、頸部及上肢功能,胸髓負責胸腔及腹腔的活動,腰髓調控兩下肢功能,最下端的薦髓控制排便、排尿及性功能。「脊髓損傷」是指急性外傷性傷害到脊髓與神經,通常依脊髓特定節段損傷,造成不同程度的傷害。於頸髓受傷會造成四肢癱瘓,若傷及胸髓、腰髓或薦髓,則會造成下半身癱瘓,除了此之外,脊髓損傷還會造成排尿、排便困難及性功能障礙,而且也可能影響呼吸問題、自主神經機能異常等。因為神經細胞死亡後不易再生, 對於脊髓損傷尚未有效的治療方法。目前在科學上,有許多方法都是意圖增加神經的活性及神經元的移植,其中「粒線體重建療法」已被利用治療脊髓損傷,初步的結果證明經過粒線體粒線體治療的小鼠,在對機械性的測試的反應力增加。
【圖】脊髓損傷後經「粒線體重建療法」小鼠對機械性的測試閾值降低 (反應力增加)
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心肌梗塞治療應用
當心臟因為血管阻塞後,血液無法運輸到心臟組織,致使心肌缺乏氧及養份,此時粒線體會因此造成損傷,很快地損壞的粒線體就促使心肌趨向死亡。研究證實,直接將從肌肉組織萃取出粒線體,然後再注入缺血的心肌,結果發現接受「粒線體重建療法」的動物,粒線體的活性上升,且心肌細胞的死亡被抑制,進一步有效改善心臟收縮舒與張功能,且療法也具安全性。在臨床試驗中,「粒線體重建療法」也被證明,可以改善小朋友心肌梗塞再回血後心臟的功能。
【圖】「粒線體重建療法」治療心肌梗塞的模式
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粒線體治療急性肺損傷/急性呼吸窘迫症治療應用
研究發現,在模擬肺損傷的動物中,肺部細胞中粒線體損傷大量增加,而且損傷後的肺臟,更進一步導致多重器官衰竭,造成死亡。但是,當動物接受「粒線體重建療法」後,肺部細胞內損傷的粒線體損被修復了,因此也有效降低肺部細胞死亡;另外,在「粒線體重建療法」下,也降低免疫細胞的浸潤、且降低發炎蛋白的產生。所以,「粒線體重建療法」 可藉由維持肺泡上皮的屏障,同時降低一連串發炎反應,降低肺水腫,達到降低呼吸窘迫的症狀,藉此可能降低急性肺損傷的高死亡率。
【圖】粒線體治療急性肺損傷/急性呼吸窘迫症
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糖尿病治療應用