许多线粒体疾病由于获取线粒体DNA（mtDNA）固有的挑战而难以研究和治疗。现在，日本的研究人员优化了线粒体靶向化合物，可以选择性地修改患者来源的干细胞中正常mtDNA与突变mtDNA的比率。这项技术使得可以创建不同突变负荷的研究模型，并展示出作为减少患者突变mtDNA的治疗策略的潜力，为线粒体疾病的治疗带来了希望。
线粒体疾病在全球大约影响每5000人中就有1人，导致从肌肉无力到中风样发作等的瘫痪症状。这些疾病中的一些是由于线粒体DNA（mtDNA）中的突变引起的，这些遗传物质存储在这些细胞器中。对于携带常见m.3243A>G突变的患者，这种突变可能导致MELAS综合症（线粒体肌病、脑病、乳酸中毒和中风样发作）和糖尿病，治疗仍然有限。线粒体疾病研究中的一个基本挑战在于患者细胞内通常同时存在正常和突变的mtDNA。这种状况称为异质性，使得开发靶向疗法变得困难，因为正常与突变mtDNA的比率在不同组织之间可能大相径庭。
此外，当前针对mtDNA突变的基础研究面临着由于缺乏疾病模型而产生的显著障碍。突变负荷（突变mtDNA的百分比）与疾病严重性之间复杂的关系仍然不够清楚，部分原因是缺乏能够精确操控异质性水平的工具。如果不能创建不同突变负荷的细胞模型，科学家们无法有效研究突变mtDNA的不同百分比与疾病表现之间的关系。
在这种背景下，由日本藤田保健大学医学部发育生物学系的高级助理教授矢田直树领导的研究团队开发了一种能够在携带m.3243A>G突变的培养细胞中修改异质性水平的技术。他们的论文于2025年3月20日在线发布，并将于2025年6月10日在《分子疗法核酸》杂志的第36卷第2期上发表。该论文由日本国立神经精神中心的后藤裕一博士和大阪府医院组织的畑竜司博士共同署名。在文中，他们详细描述了优化的mtDNA靶向铂转录激活因子样效应酶（mpTALENs）的工程及其应用——这些特殊酶可以选择性靶向并切割特定的DNA序列。
研究人员首先建立了包含m.3243A>G突变的患者来源诱导多能干细胞（iPSCs）的培养，并设计了两个版本的mpTALEN系统：一个靶向突变mtDNA进行破坏，另一个靶向正常mtDNA。这种双向的方法使他们能够生成突变负荷从11%到97%不等的细胞，同时仍保持细胞分化为各种组织类型的能力。“我们的研究首次通过可编程核酸酶展示了致病突变mtDNA比例的增加，”矢田博士指出。
他们的方法中的关键创新包括使用新型非常规重复可变双残基和强制异二聚体FokI核酸酶结构域，这增强了技术的特异性并减少了对非靶向mtDNA的不必要降解。团队还采用了商业技术，例如尿苷补充，以建立具有不同突变负荷的稳定细胞系，即使这些细胞通常可能具有生长劣势。“我们的结果表明，我们的mpTALEN优化过程创造了一种有用的工具，用于改变m.3243A>G-iPSCs中的异质性水平，提高了其研究突变病理的潜力。这种增强的效率也为使用mpTALEN在治疗m.3243A>G线粒体疾病患者方面的治疗策略提供了希望，”矢田博士说。
总体而言，这项研究代表了线粒体医学的重大进展，原因有几个。首先，它为研究人员提供了多个同种异构细胞系—它们在遗传上是相同的，但异质性水平不同。这使得可以精确研究突变负荷如何影响疾病表现。其次，它表明mpTALEN技术可能在减少患者突变mtDNA负荷方面具有治疗价值。
“我们提出的方法可以适应其他突变的mtDNA，并可能有助于理解它们相关的病理，并开发新的治疗方案，潜在地惠及各种线粒体疾病患者，”矢田博士总结道。
