Souvislost mezi mitochondriemi a nemocemi začala být zřejmá v roce 1975, kdy Douglas Wallace a jeho kolegové z Yaleovy univerzity popsali souvislost mezi mitochondriální DNA a genetickou poruchou. V 90. letech 20. století vědci spojili účinky mutací v mitochondriální DNA s různými dalšími onemocněními. Jeden z 5 000 lidí má nějaké dědičné mitochondriální onemocnění, jehož důsledky mohou zahrnovat cukrovku, problémy se zrakem a sluchem, potíže s učením a další poruchy. Teprve v posledních zhruba deseti letech se však vědci vážně zabývají vlivem mitochondrií na duševní zdraví a pohodu, zejména pokud jde o stres, úzkost a deprese.
Sandiho práce vycházela z intuice, že mitochondrie mohou měnit fungování vybraných mozkových drah. Náš mozek spotřebuje 20 % kyslíku, který naše tělo přijímá, přestože mozek tvoří pouze 2 % naší hmotnosti. Předpokládala, že deficit produkce buněčné energie v kritických nervových obvodech by mohl vysvětlovat celkový nedostatek motivace a sebeúcty, který pozorujeme u lidí se sklonem k úzkosti.
Když Sandiová postavila potkany do soutěže o vytvoření sociální hierarchie, zjistila, že zvířata s menší úzkostí častěji získávají dominantní postavení. Další studie ukázala, že tato méně úzkostná zvířata měla větší funkci mitochondrií v nucleus accumbens, což je část mozku důležitá pro motivované chování a produkci úsilí.
Další výzkum v mnoha laboratořích odhalil další souvislosti mezi stresem a mitochondriemi. V roce 2018 Picard a průkopník výzkumu stresu Bruce McEwen, který letos zemřel, publikovali metaanalýzu 23 studií o mitochondriích a úzkosti: 19 prokázalo „významné nepříznivé účinky psychologického stresu na mitochondrie“ a dokonce další čtyři zaznamenaly změny velikosti nebo funkce mitochondrií v reakci na stres.
Přehledový článek Anke Hoffmannové z Přírodovědeckého muzea v Berlíně a Dietmara Spenglera z Institutu Maxe Plancka pro psychiatrii v Mnichově z roku 2018 shrnul důkazy, že mitochondrie mohou zprostředkovávat strukturální a funkční reakce mozku na stres v raném věku a sloužit jako „subcelulární substrát v procesu programování“. Experimentální důkazy o souvislostech mezi funkcí mitochondrií a duševním zdravím jsou zatím nejisté a mají významná omezení, ale jsou dostatečně silné na to, aby přesvědčily vědce, aby se jimi zabývali hlouběji.
Křížová komunikace mitochondrií
Jednu stále zkoumanou záhadu tvoří podrobnosti o tom, co se děje s mitochondriemi při stresu. Picardův nejlepší odhad je, že to začíná, když spouštěč stresu přiměje buňky v nadledvinách uvolnit hormon kortizol. V těchto buňkách mitochondrie syntetizují hormon (s pomocí jiné organely, endoplazmatického retikula) přeměnou cholesterolu na kortizol. Kortizol pak v krvi putuje do celého těla. Specializované receptory přenášejí kortizol do jader buněk, kde aktivuje asi 1 000 genů, které pomáhají buňkám připravit se na reakci „bojuj nebo uteč“. Receptory však také převádějí část přicházejícího kortizolu do mitochondrií, kde interaguje s mitochondriální DNA a zefektivňuje produkci energie.
V důsledku toho mitochondrie v nadledvinách produkují stresový hormon a ten putuje do dalších mitochondrií v celém těle, čímž dochází k integrované stresové reakci. „Vzniká tak krásný mitochondriální cross-talk mezi orgány, o kterém se dosud příliš nemluvilo a který nebyl příliš rozvinut,“ řekl Picard.
Jak se mitochondrie přizpůsobují v reakci na tyto signály, mohou měnit tvar, od fazolové formy až po protáhlou strukturu podobnou špagetám, rozdělit se nebo se navzájem spojit. Narušení těchto procesů fúze a štěpení může vést k poškození buňky a dokonce k její smrti. Picard toto narušení přirovnává k sociální izolaci – když spolu mitochondrie nemohou mluvit, daří se jim hůře.
Zjišťování, jak stres ovlivňuje mitochondrie v mozkových buňkách, často zahrnuje obětování zvířat – což u lidí zřejmě nepřipadá v úvahu. Nicméně těch několik málo studií, které našly způsob, jak tento problém zkoumat u lidí, našlo náznaky souvislosti.
Jednou z nich byla studie z roku 2019 v časopise Psychoneuroendocrinology, kterou vedla Caroline Trumpffová, postdoktorandka Picardovy laboratoře. Ta se svými spolupracovníky Annou Marslandovou a Brettem Kaufmanem z Pittsburské univerzity zkoumala malý vzorek zdravých dospělých lidí středního věku a zjistila souvislost mezi akutním psychickým stresem a rychlým nárůstem krátkých úseků mitochondriální DNA plovoucích mimo buňky. Tyto úseky mitochondriální DNA se normálně uvolňují při škodlivých událostech souvisejících se zraněním nebo nemocí. Tento efekt byl výraznější u mužů než u žen.
Na identifikaci toho, jak k takovému poškození mitochondrií v důsledku stresu dochází, se teprve pracuje. Jedním z pravděpodobných vysvětlení je, že nadměrná aktivita mitochondrií v reakci na stres způsobuje, že vytvářejí více molekul zvaných reaktivní formy kyslíku, které mohou být pro buňky toxické, uvedl Sandi.