Mitokondrioiden ja sairauksien välinen yhteys alkoi näkyä vuonna 1975, kun Douglas Wallace ja hänen kollegansa, jotka työskentelivät tuolloin Yalen yliopistossa, kuvasivat mitokondrioiden DNA:n ja geneettisen häiriön välisen yhteyden. 1990-luvulla tutkijat yhdistivät mitokondrion DNA:n mutaatioiden vaikutukset useisiin muihin sairauksiin. Yhdellä ihmisellä 5 000:sta on jonkinlainen perinnöllinen mitokondriosairaus, jonka seurauksia voivat olla diabetes, näkö- ja kuulo-ongelmat, oppimisvaikeudet ja muut häiriöt. Vasta noin viime vuosikymmenellä tutkijat ovat kuitenkin vakavasti tutkineet mitokondrioiden vaikutusta mielenterveyteen ja hyvinvointiin, erityisesti stressiin, ahdistukseen ja masennukseen.
Sandin työ lähti liikkeelle intuitiosta, jonka mukaan mitokondriot saattavat muuttaa valikoitujen aivoratojen toimintaa. Aivomme kuluttavat 20 prosenttia kehomme saamasta hapesta, vaikka aivojen osuus painostamme on vain kaksi prosenttia. Solujen energiantuotannon vaje kriittisissä hermopiireissä, hän esitti hypoteesin, saattaisi selittää yleisen motivaation ja itsetunnon puutteen, joka on havaittavissa ahdistuneisuuteen taipuvaisilla ihmisillä.
Kun Sandi laittoi rotat kilpailemaan sosiaalisesta hierarkiasta, hän huomasi, että eläimet, joilla oli vähemmän ahdistuneisuutta, saivat todennäköisemmin hallitsevan aseman. Lisätutkimus osoitti, että näillä vähemmän ahdistuneilla eläimillä oli suurempi mitokondrioiden toiminta nucleus accumbensissa, aivojen osassa, joka on elintärkeä motivoituneelle käyttäytymiselle ja ponnistelun tuottamiselle.
Muut tutkimukset monissa laboratorioissa toivat esiin lisää yhteyksiä stressin ja mitokondrioiden välillä. Vuonna 2018 Picard ja stressitutkimuksen pioneeri Bruce McEwen, joka kuoli aiemmin tänä vuonna, julkaisivat meta-analyysin 23 tutkimuksesta, jotka koskivat mitokondrioita ja ahdistusta: 19 osoitti ”psykologisen stressin merkittäviä haitallisia vaikutuksia mitokondrioihin”, ja neljässä muussakin todettiin muutoksia mitokondrioiden koossa tai toiminnassa stressin seurauksena.
Berliinin luonnonhistoriallisessa museossa toimivan Anke Hoffmannin ja Münchenin Max Planck -psykiatrian instituutissa toimivan Dietmar Spenglerin vuonna 2018 julkaistussa katsausartikkelissa esitettiin yhteenveto todisteista, joiden mukaan mitokondriot voisivat välittää aivojen rakenteellisia ja toiminnallisia reaktioita varhaiselämän stressiin ja toimia ”ohjelmointiprosessin alisoluisena substraattina”. Kokeellinen näyttö mitokondrioiden toiminnan ja mielenterveyden välisistä yhteyksistä on vielä alustavaa ja sillä on merkittäviä rajoituksia, mutta se on tarpeeksi vahvaa vakuuttaakseen tutkijat katsomaan syvemmälle.
Mitokondrioiden ristikkäisviestintä
Yksi edelleen tutkittavaksi jäänyt mysteeri liittyy yksityiskohtiin, jotka koskevat sitä, mitä mitokondrioille tapahtuu stressin aikana. Picardin paras arvaus on, että se alkaa, kun stressin laukaiseva tekijä saa lisämunuaisen solut vapauttamaan kortisolihormonia. Näissä soluissa mitokondriot syntetisoivat hormonin (toisen soluelimen, endoplasmisen verkkokalvon, avustuksella) muuttamalla kolesterolia kortisoliksi. Kortisoli kulkeutuu sitten veressä koko kehoon. Erikoistuneet reseptorit kuljettavat kortisolin solujen ytimiin, missä se aktivoi noin 1 000 geeniä, jotka auttavat soluja valmistautumaan ”taistele tai pakene” -reaktioon. Mutta reseptorit kuljettavat osan saapuvasta kortisolista myös mitokondrioihin, joissa se on vuorovaikutuksessa mitokondrioiden DNA:n kanssa ja tehostaa energiantuotantoa.
Tosiasiassa lisämunuaisten mitokondriot tuottavat stressihormonia, ja se kulkeutuu muihin mitokondrioihin eri puolilla elimistöä, mikä saa aikaan kokonaisvaltaisen stressivasteen. ”Se luo elinten välille kauniin mitokondriaalisen ristikkäiskeskustelun, josta ei ole keskusteltu tai jota ei ole kehitetty kovin paljon”, Picard sanoi.
Kun mitokondriot sopeutuvat vastauksena näihin signaaleihin, ne voivat muuttaa muotoaan papumaisesta muodosta pitkänomaiseksi, spagettimaiseksi rakenteeksi, hajota toisistaan tai sulautua toisiinsa. Näiden fuusio- ja fissioprosessien häiritseminen voi johtaa soluvaurioihin ja jopa kuolemaan. Picard vertaa tätä häiriötä sosiaaliseen eristäytymiseen – kun mitokondriot eivät voi keskustella keskenään, ne voivat huonommin.
Määritettäessä, miten stressi vaikuttaa aivosolujen mitokondrioihin, joudutaan usein uhraamaan eläimiä – käytäntö, joka ei luonnollisestikaan tule kysymykseen ihmisten kohdalla. Kuitenkin ne harvat tutkimukset, joissa on löydetty keinoja tutkia ongelmaa ihmisillä, ovat löytäneet viitteitä yhteydestä.
Yksi niistä oli vuonna 2019 Psychoneuroendocrinology-lehdessä julkaistu tutkimus, jota johti Picardin laboratorion postdoc-tutkija Caroline Trumpff. Hän ja hänen yhteistyökumppaninsa Anna Marsland ja Brett Kaufman Pittsburghin yliopistosta tarkastelivat pientä otosta terveitä keski-ikäisiä aikuisia ja löysivät yhteyden akuutin psykologisen stressin ja solujen ulkopuolella kelluvien lyhyiden mitokondriaalisen DNA:n pätkien nopean nousun välillä. Tällaisia mitokondrion DNA:n osia vapautuu normaalisti vammoihin tai sairauksiin liittyvien vahingollisten tapahtumien yhteydessä. Vaikutus oli selvempi miehillä kuin naisilla.
Sen selvittäminen, miten tällainen stressiin liittyvä mitokondrioiden vaurioituminen tapahtuu, on vielä kesken. Yksi todennäköinen selitys on, että mitokondrioiden yliaktiivisuus stressin seurauksena saa ne tuottamaan enemmän molekyylejä, joita kutsutaan reaktiivisiksi happilajeiksi ja jotka voivat olla myrkyllisiä soluille, Sandi sanoi.