Метаболические изменения в клетках могут возникать на самых ранних стадиях заболевания. В большинстве случаев знания об этих сигналах ограничены, поскольку мы обычно обнаруживаем болезнь только после того, как она нанесла значительный ущерб. Теперь команда инженеров из Инженерной школы Университета Тафтса открыла окно в клетку, разработав оптический инструмент, который может считывать метаболизм с субклеточным разрешением, без необходимости воздействовать на клетки контрастными веществами или разрушать их для проведения анализов. Как сообщается сегодня в журнале Science Advances, исследователи смогли использовать этот метод для выявления специфических метаболических сигнатур, которые могут возникать при диабете, раке, сердечно-сосудистых и нейродегенеративных заболеваниях.
Метод основан на флуоресценции двух важных коферментов (биомолекул, работающих совместно с ферментами) при возбуждении лазерным лучом. Коэнзимы - никотинамидадениндинуклеотид (НАДН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД) - участвуют в большом количестве метаболических путей в каждой клетке. Чтобы выяснить, на какие конкретно метаболические пути влияет болезнь или стресс, ученые из Тафтса изучили три параметра: соотношение ФАД и НАДН, «затухание» флуоресценции НАДН и организацию митохондрий, определяемую пространственным распределением НАДН. внутри клетки (энергия, производящая «батареи» клетки).
Первый параметр - отношение количества ФАД к НАДН - может показать, насколько хорошо клетка потребляет кислород, метаболизирует сахара, производит или расщепляет молекулы жира. Второй параметр - «затухание» флуоресценции НАДН - раскрывает подробности о локальном окружении НАДН. Третий параметр - пространственное распределение НАДН в клетках - показывает, как митохондрии делятся и сливаются в ответ на клеточный рост и стресс.
«Вместе эти три параметра начинают давать более конкретные и уникальные метаболические признаки клеточного здоровья или дисфункции», - сказала Ирэн Георгакуди, доктор философии, автор исследования и профессор биомедицинской инженерии в Инженерная школа в Тафтсе. «Сила этого метода заключается в возможности получать информацию о живых клетках без использования контрастных веществ или прикрепленных меток, которые могут повлиять на результаты».
Существуют и другие методы неинвазивного отслеживания метаболических признаков заболевания, такие как ПЭТ-сканирование, которое часто используется в исследованиях. Но в то время как ПЭТ-сканирование предоставляет информацию низкого разрешения с превосходным проникновением в живые ткани на глубину, оптический метод, представленный исследователями Тафтса, обнаруживает метаболическую активность с разрешением отдельных клеток, хотя в основном вблизи поверхности.
Это не обязательно ограничение. Многие заболевания, включая рак, можно обнаружить на поверхности тканей, в то время как многие доклинические исследования проводятся на животных моделях и сконструированных трехмерных тканях, мониторинг которых может быть полезен при неразрушающем контроле. Метод, разработанный Георгакуди и его коллегами, может оказаться мощным исследовательским инструментом для понимания их метаболических сигнатур.