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Inter and intracellular mitochondrial transfer: Future of mitochondrial transplant therapy in Parkinson’s disease - 03/02/23

Doi : 10.1016/j.biopha.2023.114268 
Rachit Jain a, 1 , Nusrat Begum a, 1 , Kamatham Pushpa Tryphena a, 1 , Shashi Bala Singh a , Saurabh Srivastava b , Sachchida Nand Rai c, 1 , Emanuel Vamanu d, , Dharmendra Kumar Khatri a,
a Molecular & Cellular Neuroscience lab, Department of Pharmacology and Toxicology, National Institute of Pharmaceutical Education and Research (NIPER), Hyderabad, Telangana 500037, India 
b Department of Pharmaceutics, National Institute of Pharmaceutical Education and Research (NIPER), Hyderabad, Telangana 500037, India 
c Centre of Biotechnology, University of Allahabad, Prayagraj 211002, India 
d University of Agricultural Sciences and Veterinary Medicine of Bucharest, Romania 

Corresponding author.⁎⁎Correspondence to: Molecular & Cellular Neuroscience Lab, Department of Pharmacology & Toxicology, National Institute of Pharmaceutical Education and Research (NIPER), Balanagar, Hyderabad 500037, India.Molecular & Cellular Neuroscience Lab, Department of Pharmacology & Toxicology, National Institute of Pharmaceutical Education and Research (NIPER)BalanagarHyderabad500037India

Abstract

Parkinson's disease (PD) is marked by the gradual degeneration of dopaminergic neurons and the intracellular build-up of Lewy bodies rich in α-synuclein protein. This impairs various aspects of the mitochondria including the generation of ROS, biogenesis, dynamics, mitophagy etc. Mitochondrial dynamics are regulated through the inter and intracellular movement which impairs mitochondrial trafficking within and between cells. This inter and intracellular mitochondrial movement plays a significant role in maintaining neuronal dynamics in terms of energy and growth. Kinesin, dynein, myosin, Mitochondrial rho GTPase (Miro), and TRAK facilitate the retrograde and anterograde movement of mitochondria. Enzymes such as Kinases along with Calcium (Ca2+), Adenosine triphosphate (ATP) and the genes PINK1 and Parkin are also involved. Extracellular vesicles, gap junctions, and tunneling nanotubes control intercellular movement. The knowledge and understanding of these proteins, enzymes, molecules, and movements have led to the development of mitochondrial transplant as a therapeutic approach for various disorders involving mitochondrial dysfunction such as stroke, ischemia and PD. A better understanding of these pathways plays a crucial role in establishing extracellular mitochondrial transplant therapy for reverting the pathology of PD. Currently, techniques such as mitochondrial coculture, mitopunch and mitoception are being utilized in the pre-clinical stages and should be further explored for translational value. This review highlights how intercellular and intracellular mitochondrial dynamics are affected during mitochondrial dysfunction in PD. The field of mitochondrial transplant therapy in PD is underlined in particular due to recent developments and the potential that it holds in the near future.

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Graphical Abstract




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Highlights

Transport of mitochondria across the neurons serve as critical mediator for cellular fitness and health.
Mitophagy and biogenesis replenish the mitochondrial pool, sustaining the cell's mitochondrial repertoire.
Mitochondrial dysfunctions play pivotal role in neurodegenerative disorders including PD.
Inter and intracellular transport of mitochondria is governed by various molecular signaling pathways.
Mitochondrial Transplantation therapy could be a potentially unique method for enhancing clinical impact in PD.

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Abbreviations : PD, SNpc, ST, α-Syn, ETC, DA, ROS, CNS, Mfn1/2, OPA1, Ca2+, OMM, IMM, Drp1, Mff, Fis1, MiD49/51, MT, MIRO, ATP, TRAK, KIFs, KIF5, RanBP2, Dync1h1, DLC, DHC, AMPK, PP2A, LKB1, PINK1, mtDNA, TNT, RAGE, EV, PI3K, BMSCs, HSCs, PGC, SIRT1, TFAM, Nrf, NFAL, RLM, BSA, PBS, DMSO, TOM, PC-12, 6-OHDA, MFB, MPTP, DAMPS, IL-2

Keywords : Parkinson’s Disease, Mitochondria: mitophagy, Mitochondrial dysfunction: mitochondrial transplant, Future therapies


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