DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33677-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41495249
تاريخ النشر: 2026-01-06
المؤلف: Melvin Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: وظيفة الميتوكوندريا والمرض
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على الدور الحاسم للميتوكوندريا في تطوير مقاومة العلاج في خلايا السرطان، وهو عامل مهم يساهم في الوفيات المرتبطة بالسرطان. تحدد الدراسة حالة مقاومة كيميائية محددة في خلايا السرطان، تتميز بزيادة حجم الخلايا ومرحلة غير تكاثرية مطولة بعد علاج سيسبلاتين. ترتبط هذه الحالة المقاومة بزيادة نشاط OMA1، وهو بروتين إنزيمي يشارك في ديناميات الميتوكوندريا، مما يؤدي إلى تقليل اندماج الميتوكوندريا ووظيفتها استجابةً للإجهاد التأكسدي.
تؤكد هذه النتائج على أهمية استجابات الإجهاد الميتوكوندري في سياق مقاومة العلاج، مما يشير إلى أن استهداف هذه المسارات قد يقدم استراتيجيات علاجية جديدة للتغلب على المقاومة في علاج السرطان. من خلال توضيح الآليات الكامنة وراء هذه الظاهرة المقاومة، تمهد الأبحاث الطريق للتدخلات المحتملة التي تهدف إلى تحسين نتائج المرضى في سرطانات مقاومة للعلاج الكيميائي.
مقدمة
في المقدمة، يبرز المؤلفون الأدوار الحاسمة للميتوكوندريا في التوازن الخلوي واستجابات الإجهاد، مؤكدين على تغيراتها الشكلية الديناميكية استجابةً للمحفزات الأيضية والإجهاد. يؤدي انقسام الميتوكوندريا، الذي غالبًا ما يتم تحفيزه بواسطة الإجهاد التأكسدي، إلى تفتت يسهل تدهور الميتوكوندريا التالفة عبر الميتوفاجي، بينما يحدث اندماج الميتوكوندريا تحت الطلبات الطاقية المتزايدة، مما يعزز القدرة التأكسدية. يرتبط عدم تنظيم هذه العمليات في خلايا السرطان بقدرتها على التكيف واكتساب المقاومة لمختلف العلاجات الكيميائية، وهي ظاهرة لوحظت عبر أنواع متعددة من الأورام.
يناقش المؤلفون أيضًا نتائجهم السابقة التي تشير إلى أن خلايا السرطان التي تنجو من العلاج الكيميائي تدخل حالة مقاومة تتميز بزيادة حجم الخلايا، وتغير في شكل النواة، وزيادة في الاستجابات المضادة للأكسدة التي تتوسطها إشارة NRF2. يشيرون إلى أن كتلة الميتوكوندريا ودينامياتها تتأثر في هذه الخلايا المقاومة، مع زيادة في الميتوفاجي وتغيرات في شكل الميتوكوندريا تم الإبلاغ عنها في نماذج سرطانية مختلفة. في دراستهم الحالية، يبحث المؤلفون في خصائص الميتوكوندريا في خلايا سرطان البروستاتا التي تنجو من علاج سيسبلاتين، كاشفين عن زيادة نشاط OMA1، وشكل غير طبيعي للكرستاي، وانخفاض في اندماج الميتوكوندريا، مما يعيق بشكل جماعي وظيفة الميتوكوندريا. تشير هذه النتائج إلى أن استهداف نشاط OMA1 قد يمثل استراتيجية علاجية جديدة لمعالجة مقاومة العلاج الكيميائي في هذه الظاهرة السرطانية المحددة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام خط خلايا PC3 للتحقيق في تحفيز حالة خلايا السرطان المقاومة. تم زراعة الخلايا في وسط RPMI 1640 معزز بـ 10% مصل بقري جنيني (FBS) و1% بنسلين وستربتوميسين (P/S)، تحت ظروف قياسية تبلغ 37℃ و5% CO2. لتحفيز المقاومة، تم زرع خلايا PC3 بكثافة 1,250,000 خلية لكل طبق 150 مم وتم علاجها بجرعة سيسبلاتين تتوافق مع IC50 (6 ميكرومتر) لمدة 72 ساعة. بعد العلاج، تم استبدال وسط الدواء بوسط زراعة جديد، وتم مراقبة الخلايا الناجية على مدى فترة 10 أيام، مع تغييرات في الوسط كل ثلاثة أيام.
بعد عشرة أيام من إزالة العلاج (PTR)، تم تحليل الخلايا للتجارب اللاحقة. تسمح هذه المنهجية بتقييم الاستجابات الخلوية والتكيفات بعد التعرض لسيسبلاتين، مما يوفر رؤى حول آليات مقاومة الأدوية في خلايا السرطان.
النتائج
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تأثيرات علاج سيسبلاتين على خط خلايا سرطان البروستاتا PC3، مع التركيز بشكل خاص على الاستجابات الخلوية للخلايا الناجية بعد العلاج الكيميائي. بعد التعرض لجرعة LD50 من سيسبلاتين (6 ميكرومتر) لمدة 72 ساعة، تم زراعة الخلايا الناجية في وسط جديد لمدة تصل إلى 10 أيام. من الجدير بالذكر أن هذه الخلايا أظهرت زيادة كبيرة في حجم الخلايا، حوالي 40 ضعفًا بعد 10 أيام من إزالة العلاج (PTR)، بينما ظلت غير تكاثرية. بالإضافة إلى ذلك، أكدت الدراسة أن الموت الخلوي استمر في هذه الخلايا، مع ملاحظة استقرار في معدل الوفاة عند 10 أيام PTR.
أظهرت الخلايا الناجية مستويات مرتفعة من أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) لكل منطقة خلوية مقارنةً بالضوابط غير المعالجة، مما يشير إلى زيادة في الإجهاد التأكسدي. أدى العلاج بمضاد الأكسدة N-acetyl cysteine (NAC) إلى انخفاض في مستويات ROS في الخلايا الناجية، مما يشير إلى بيئة أكسيدية مستمرة. علاوة على ذلك، كشفت تحليل شكل الميتوكوندريا أن الخلايا بعد 10 أيام PTR أظهرت علامات التفتت، حيث تم تحديد انخفاض بمقدار 1.5 ضعف في كل من عدد الفروع لكل ميتوكوندريا وطول الفرع لكل ميتوكوندريا، على الرغم من أن الزيادة في عدد الميتوكوندريا لكل خلية لم تكن ذات دلالة إحصائية عند تطبيعها على مساحة الخلية. تسلط هذه النتائج الضوء على التكيفات الخلوية واستجابات الإجهاد لخلايا السرطان بعد التعرض للعلاج الكيميائي.
المناقشة
في هذه الدراسة، بحثنا في ديناميات وشكل الميتوكوندريا في خلايا السرطان التي نجت من علاج سيسبلاتين، مع التركيز على دور بروتين دينامين المرتبط (DRP1) وضمور العصب البصري 1 (OPA1) استجابةً للإجهاد التأكسدي. كشفت نتائجنا أن الخلايا الناجية أظهرت زيادة في توطين DRP1 إلى الغشاء الخارجي للميتوكوندريا (OMM) وانخفاض في الفسفرة عند Ser637، مما يشير إلى تقليل تثبيط نشاط DRP1. وقد صاحب ذلك زيادة في عامل انقسام الميتوكوندريا (MFF) وتعبير MiD49، بينما انخفضت مستويات MiD51. من الجدير بالذكر أن الخلايا بعد 10 أيام من العلاج (PTR) أظهرت ميتوكوندريا متفتتة مع شكل كرستاي غير طبيعي، يتميز بعدد أقل وأوسع من الكرستاي مقارنة بالخلايا غير المعالجة. كانت هذه التغييرات مرتبطة بانخفاض كبير في جهد غشاء الميتوكوندريا ومعدل استهلاك الأكسجين، مما يشير إلى ضعف وظيفة الميتوكوندريا.
علاوة على ذلك، لاحظنا انخفاضًا في كل من ديناميات انقسام الميتوكوندريا واندماجها في الخلايا بعد 10 أيام PTR، على الرغم من زيادة توطين DRP1. قد يُعزى هذا التناقض إلى مسارات الإشارة المتغيرة التي تؤثر على ديناميات الميتوكوندريا، والتي قد تشمل انخفاضًا في اتصالات الشبكة الإندوبلازمية-الميتوكوندريا. كما تم تغيير معالجة OPA1، مع انخفاض في الشكل الطويل (L2) وزيادة في الأشكال الأقصر، غير القابلة للاندماج (S5)، مما يشير إلى زيادة نشاط OMA1. من المحتمل أن تساهم هذه المعالجة في التفتت الملحوظ وانخفاض كفاءة الفسفرة التأكسدية، مما يعزز بقاء الخلايا في ظل ظروف الإجهاد التأكسدي. تشير نتائجنا إلى أن استهداف OMA1 قد يمثل فرصة علاجية لاستغلال نقاط الضعف في خلايا السرطان المقاومة للعلاج، مما يتطلب مزيدًا من التحقيق في دوره في ديناميات الميتوكوندريا وبقاء خلايا السرطان.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33677-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41495249
Publication Date: 2026-01-06
Author(s): Melvin Li et al.
Primary Topic: Mitochondrial Function and Pathology
Overview
The research highlights the critical role of mitochondria in the development of therapy resistance in cancer cells, a significant factor contributing to cancer-related mortality. The study identifies a specific chemotherapy-resistant state in cancer cells, characterized by increased cell size and a prolonged non-proliferative phase following cisplatin treatment. This resistant state is associated with heightened activity of OMA1, a protease involved in mitochondrial dynamics, leading to decreased mitochondrial fusion and function as a cellular response to oxidative stress.
These findings underscore the importance of mitochondrial stress responses in the context of therapy resistance, suggesting that targeting these pathways may offer new therapeutic strategies for overcoming resistance in cancer treatment. By elucidating the mechanisms underlying this resistant phenotype, the research paves the way for potential interventions aimed at improving patient outcomes in chemotherapy-resistant cancers.
Introduction
In the introduction, the authors highlight the critical roles of mitochondria in cellular homeostasis and stress responses, emphasizing their dynamic morphological changes in reaction to metabolic and stress stimuli. Mitochondrial fission, often triggered by oxidative stress, leads to fragmentation that facilitates the degradation of damaged mitochondria via mitophagy, while mitochondrial fusion occurs under increased energetic demands, enhancing oxidative capacity. The dysregulation of these processes in cancer cells is linked to their ability to adapt and acquire resistance to various chemotherapies, a phenomenon observed across multiple tumor types.
The authors further discuss their previous findings that cancer cells surviving chemotherapy enter a resistant state characterized by increased cell size, altered nuclear morphology, and heightened antioxidant responses mediated by NRF2 signaling. They note that mitochondrial mass and dynamics are affected in these resistant cells, with increased mitophagy and changes in mitochondrial morphology reported in different cancer models. In their current study, the authors investigate mitochondrial characteristics in prostate cancer cells that survive cisplatin treatment, revealing increased OMA1 activity, abnormal cristae morphology, and reduced mitochondrial fusion, which collectively impair mitochondrial function. These findings suggest that targeting OMA1 activity may represent a novel therapeutic strategy to address chemotherapy resistance in this specific cancer phenotype.
Methods
In this study, the PC3 cell line was utilized to investigate the induction of a resistant cancer cell state. The cells were cultured in RPMI 1640 medium supplemented with 10% fetal bovine serum (FBS) and 1% penicillin and streptomycin (P/S), under standard conditions of 37℃ and 5% CO2. To induce resistance, PC3 cells were plated at a density of 1,250,000 cells per 150 mm dish and treated with a cisplatin dose corresponding to the IC50 (6 µM) for a duration of 72 hours. Following treatment, the drug-containing media was replaced with fresh culture media, and the surviving cells were monitored over a 10-day period, with media changes every three days.
Ten days post-treatment removal (PTR), the cells were analyzed for subsequent experiments. This methodology allows for the assessment of cellular responses and adaptations following cisplatin exposure, providing insights into mechanisms of drug resistance in cancer cells.
Results
In this study, the effects of cisplatin treatment on the PC3 prostate cancer cell line were investigated, particularly focusing on the cellular responses of surviving cells post-chemotherapy. Following exposure to an LD50 dose of cisplatin (6 µM) for 72 hours, the surviving cells were cultured in fresh media for up to 10 days. Notably, these cells exhibited a significant increase in cell volume, approximately 40-fold by 10 days post-treatment removal (PTR), while remaining non-proliferative. Additionally, the study confirmed that apoptosis continued to occur in these cells, with a plateau in the death rate observed at 10 days PTR.
The surviving cells demonstrated elevated levels of reactive oxygen species (ROS) per cell area compared to untreated controls, indicating increased oxidative stress. Treatment with the antioxidant N-acetyl cysteine (NAC) resulted in a decrease in ROS levels in the surviving cells, suggesting a persistent oxidative environment. Furthermore, mitochondrial morphology analysis revealed that cells 10 days PTR displayed signs of fragmentation, characterized by a 1.5-fold reduction in both the number of branches per mitochondrion and branch length per mitochondrion, although the increase in mitochondrial count per cell was not statistically significant when normalized to cell area. These findings highlight the cellular adaptations and stress responses of cancer cells following chemotherapy exposure.
Discussion
In this study, we investigated the mitochondrial dynamics and morphology in cancer cells that survived cisplatin treatment, focusing on the role of dynamin-related protein 1 (DRP1) and optic atrophy 1 (OPA1) in response to oxidative stress. Our findings revealed that surviving cells exhibited increased localization of DRP1 to the outer mitochondrial membrane (OMM) and decreased phosphorylation at Ser637, indicating reduced inhibition of DRP1 activity. This was accompanied by an increase in mitochondrial fission factor (MFF) and MiD49 expression, while MiD51 levels decreased. Notably, cells 10 days post-treatment (PTR) displayed fragmented mitochondria with aberrant cristae morphology, characterized by fewer and wider cristae compared to untreated cells. These changes were linked to a significant reduction in mitochondrial membrane potential and oxygen consumption rate, suggesting impaired mitochondrial function.
Moreover, we observed a decrease in both mitochondrial fission and fusion dynamics in cells 10 days PTR, despite increased DRP1 localization. This paradox may be attributed to altered signaling pathways affecting mitochondrial dynamics, potentially involving decreased endoplasmic reticulum-mitochondrial contacts. The processing of OPA1 was also altered, with a decrease in the long isoform (L2) and an increase in shorter, fusion-incompetent isoforms (S5), indicating heightened OMA1 activity. This processing likely contributes to the observed fragmentation and reduced oxidative phosphorylation efficiency, promoting cell survival under oxidative stress conditions. Our results suggest that targeting OMA1 may present a therapeutic opportunity to exploit vulnerabilities in therapy-resistant cancer cells, warranting further investigation into its role in mitochondrial dynamics and cancer cell survival.