Kälteinduzierte mitochondriale Fragmentation und ihre Reversibilität in Endothelzellen
Organe werden für die Transplantation unter hypothermen Bedingungen transportiert. Es wurde beobachtet, dass Mitochondrien eine erhöhte Fission aufweisen, wenn Zellen unter kalten Bedingungen inkubiert werden. Das genaue Auftreten und der Mechanismus hinter dieser kälteinduzierten mitochondrialen Fragmentation waren jedoch bisher nicht bekannt. Auch die Reversibilität der kälteinduzierten Fission wurden bisher nicht untersucht. In dieser Arbeit sollte die kälteinduzierte mitochondriale Fragmentation und ihr Mechanismus charakterisiert werden, sowie die Reversibilität vor dem Hintergrund der Rekonditionierung untersucht werden.
Kultivierte Schweineaortenendothelzellen wurden dafür in Krebs-Henseleit-Puffer mit Glukose und Deferoxamin unter Hypothermie (4°C) inkubiert. Während der Kaltinkubation wurde die mitochondriale Morphologie, Funktion und die zugrundeliegenden proteinbiochemischen Prozesse untersucht. Die Zellen wurden bei verschiedenen Temperaturen wiedererwärmt und die Mitochondrien morphologisch und funktionell untersucht.
Eine verstärkte mitochondriale Fission trat bereits nach 3 h bei 4 °C und bei Temperaturen unter 15 °C auf und auch der ATP-Gehalt sank in der Kälte deutlich ab. DRP1, das Schlüsselenzym der Fission, wies einen konstanten Proteingehalt über die Dauer der Kaltinkubation auf. Die hochregulierten Phosphorylierungsstellen von DRP1, die Analyse der Lokalisierung und die Inkubation mit dem Inhibitor Mdivi-1 lassen auf einen möglichen DRP1-unabhängigen Prozess bei der kälteinduzierten mitochondrialen Fragmentation schließen.
Die Fragmentation war grundsätzlich reversibel, allerdings war erst ab 21 °C Erwärmung eine Re-Fusion der Mitochondrien zu erkennen, die mit steigender Wiedererwärmungstemperatur stärker ausfiel. Auch der ATP-Gehalt der Zellen stieg erst bei einer Wiedererwärmung auf 21 °C wieder an. Die metabolische Aktivität und die Fähigkeit, Wunden im Endothel zu schließen, waren bei höheren Temperaturen ebenfalls stärker ausgeprägt.
Zusammenfassend tritt die kälteinduzierte mitochondriale Fragmentation früh auf, geht mit einem ATP-Abfall einher und ist mechanistisch komplex. Rekonditionierungstemperaturen von mindestens 21 °C, besser 30 °C oder 37 °C sind empfehlenswert. Eine weitere Charakterisierung des Mechanismus ist erforderlich und könnte Ansätze zur Optimierung der Kaltlagerung von Organen und einer Verbesserung der Organqualität bieten.
Organs are transported for transplantation under hypothermic conditions. It has been observed that mitochondria show increased fission when cells are incubated under hypothermic conditions. However, the exact occurrence and mechanism behind this cold-induced mitochondrial fission are still unknown. The reversibility of cold-induced mitochondrial fission has also not yet been characterized. The aim of this study was to characterize cold-induced mitochondrial fission and its mechanisms and to examine its reversibility in the context of reconditioning.
Cultured porcine aortic endothelial cells were therefore incubated under hypothermia (4 °C) in Krebs-Henseleit buffer containing glucose and deferoxamine. Mitochondrial morphology and function were examined during and after cold incubation along with the associated proteins. Cells were rewarmed at different temperatures and mitochondria were likewise examined morphologically and functionally.
Enhanced mitochondrial fission occurred after only 3 hours at 4 °C and at temperatures below 15 °C, and ATP content decreased considerably in the cold. DRP1, the key enzyme of fission, exhibited a constant protein level over the duration of cold incubation. However, upregulated levels of both activating and inactivating phosphorylation of DRP1 were observed. Analysis of the localization of DRP1 and incubation with the inhibitor Mdivi-1 suggest a possible DRP1-independent process in cold-induced mitochondrial fission.
This fission was generally reversible, but re-fusion of mitochondria was only evident from 21°C warming onwards, and was more pronounced with increased rewarming temperature. The ATP content of the cells also only increased again after rewarming to 21 °C. Metabolic activity and the ability to close wounds in the endothelium were also more pronounced at higher temperatures.
In summary, cold-induced mitochondrial fragmentation occurs early, is accompanied by ATP depletion, and is mechanistically complex. Reconditioning temperatures of min 21 °C, better 30 °C or 37 °C are recommended. Further characterisation of the mechanism is required and could provide approaches to optimize cold storage of organs and improve organ quality.