A mitokondriumok és a betegségek közötti kapcsolat 1975-ben kezdett nyilvánvalóvá válni, amikor Douglas Wallace és kollégái, akkoriban a Yale Egyetemen, leírták a mitokondriális DNS és egy genetikai rendellenesség közötti kapcsolatot. Az 1990-es években a kutatók a mitokondriális DNS mutációinak hatását számos más betegséggel hozták összefüggésbe. Minden 5000 emberből egynek van valamilyen öröklött mitokondriális betegsége, amelynek következményei között cukorbetegség, látási és hallási problémák, tanulási nehézségek és egyéb rendellenességek is szerepelhetnek. A tudósok azonban csak az elmúlt körülbelül egy évtizedben vizsgálták komolyan a mitokondriumoknak a mentális egészségre és jólétre gyakorolt hatását, különösen a stressz, a szorongás és a depresszió tekintetében.
Sandi munkája abból a megérzésből indult ki, hogy a mitokondriumok megváltoztathatják bizonyos agyi pályák működését. Az agyunk a szervezetünk által felvett oxigén 20%-át fogyasztja, annak ellenére, hogy az agy a testsúlyunknak csak 2%-át teszi ki. Feltételezte, hogy a sejtek energiatermelésének hiánya a kritikus idegi áramkörökben magyarázatot adhat a szorongásra hajlamos embereknél megfigyelhető általános motiváció- és önbecsüléshiányra.
Amikor Sandi patkányokat versenyeztetett a társadalmi hierarchia kialakításáért, azt látta, hogy a kevésbé szorongó állatok nagyobb valószínűséggel szereztek domináns rangot. További vizsgálatok kimutatták, hogy ezeknek a kevésbé szorongó állatoknak nagyobb volt a mitokondriumok működése a nucleus accumbensben, az agynak abban a részében, amely létfontosságú a motivált viselkedéshez és az erőfeszítés termeléséhez.
Más kutatások számos laboratóriumban további kapcsolatokat tártak fel a stressz és a mitokondriumok között. 2018-ban Picard és az év elején elhunyt Bruce McEwen, a stresszkutatás úttörője 23, a mitokondriumokkal és a szorongással foglalkozó tanulmány metaanalízisét tette közzé: 19 a pszichológiai stressz “jelentős káros hatását mutatta ki a mitokondriumokra”, sőt a másik négy a mitokondriumok méretében vagy funkciójában a stressz hatására bekövetkező változásokat észlelte.
Anke Hoffmann, a berlini Természettudományi Múzeum munkatársa és Dietmar Spengler, a müncheni Max Planck Pszichiátriai Intézet munkatársa egy 2018-as áttekintő cikkben foglalta össze azokat a bizonyítékokat, amelyek szerint a mitokondriumok közvetíthetik az agynak a korai életkori stresszre adott strukturális és funkcionális válaszait, és “szubcelluláris szubsztrátként szolgálhatnak a programozási folyamatban”. A mitokondriumok működése és a mentális egészség közötti kapcsolatokra vonatkozó kísérleti bizonyítékok még mindig bizonytalanok és jelentős korlátokkal rendelkeznek, de elég erősek ahhoz, hogy meggyőzzék a tudósokat arról, hogy mélyebbre kell nézniük.
A mitokondriumok keresztbeszéde
Az egyik még mindig vizsgálandó rejtély annak részleteit övezi, hogy mi történik a mitokondriumokkal stressz hatására. Picard legjobb feltételezése szerint ez akkor kezdődik, amikor a stressz kiváltó oka arra készteti a mellékvesék sejtjeit, hogy felszabadítsák a kortizol nevű hormont. Ezekben a sejtekben a mitokondriumok szintetizálják a hormont (egy másik organellum, az endoplazmatikus retikulum segítségével) azáltal, hogy a koleszterint kortizollá alakítják. A kortizol ezután a vérben végighalad a szervezetben. Speciális receptorok szállítják a kortizolt a sejtmagokba, ahol az mintegy 1000 gént aktivál, hogy segítsen a sejteknek felkészülni a “harcolj vagy menekülj” válaszra. De a receptorok a beérkező kortizol egy részét a mitokondriumokba is továbbítják, ahol kölcsönhatásba lép a mitokondriális DNS-sel, és hatékonyabbá teszi az energiatermelést.
A mellékvesékben lévő mitokondriumok valójában a stresszhormont termelik, és az az egész testben más mitokondriumokba is eljut, ami egy integrált stresszválaszt eredményez. “Ez egy csodálatos mitokondriális keresztbeszélgetést hoz létre a szervek között, amelyet eddig nem nagyon tárgyaltak vagy fejlesztettek ki” – mondta Picard.”
Amint a mitokondriumok alkalmazkodnak e jelzésekre válaszul, megváltoztathatják alakjukat, a babformától egy megnyúlt, spagettiszerű szerkezetig, szétválhatnak vagy összeolvadhatnak egymással. Ezeknek a fúziós és fissziós folyamatoknak a megzavarása sejtkárosodáshoz, sőt akár halálhoz is vezethet. Picard ezt a zavart a társadalmi elszigeteltséghez hasonlítja – ha a mitokondriumok nem tudnak beszélgetni egymással, rosszabbul járnak.”
Az, hogy meghatározzuk, hogyan hat a stressz az agysejtek mitokondriumaira, gyakran állatok feláldozásával jár – ez a gyakorlat az emberek esetében nyilvánvalóan szóba sem jöhet. Mindazonáltal az a néhány tanulmány, amely módot talált arra, hogy embereken vizsgálja a problémát, összefüggésre utaló jeleket talált.
Az egyik a Psychoneuroendocrinology című szaklapban 2019-ben megjelent tanulmány volt, amelyet Caroline Trumpff, Picard laboratóriumának posztdoktori kutatója vezetett. Ő és munkatársai, Anna Marsland és Brett Kaufman a Pittsburghi Egyetemen egészséges középkorú felnőttek egy kis mintáját vizsgálták, és összefüggést találtak az akut pszichológiai stressz és a sejteken kívül lebegő mitokondriális DNS rövid szakaszainak gyors megugrása között. A mitokondriális DNS ilyen darabjai általában sérüléssel vagy betegséggel kapcsolatos károsító események során szabadulnak fel. A hatás a férfiaknál kifejezettebb volt, mint a nőknél.
Az, hogy a stressz okozta ilyen jellegű mitokondriális károsodás hogyan következik be, még folyamatban van. Az egyik valószínű magyarázat az, hogy a mitokondriumok túlműködése a stressz hatására több reaktív oxigénfajoknak nevezett molekulát termel, amelyek mérgezőek lehetnek a sejtek számára, mondta Sandi.