Апоптоз, запрограммированная клеточная смерть, необходим клеткам для нормального развития, правильного функционирования иммунной системы и предотвращения рака. Процесс резко трансформирует клеточные структуры, но ограниченность возможностей обычной микроскопии оставляет загадкой многое из этой структурной реорганизации.

В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые из Университета Баффало (University at Buffalo – UB) описывают разработанный ими биофотонный метод визуализации, способный в реальном времени осуществлять мониторинг преобразований, которые клетка претерпевает в процессе апоптоза.

Эта работа поможет реализовать потенциал индивидуальной молекулярной медицины, в которой химиотерапия, например, может быть точно ориентирована на изменения в клетках конкретного пациента. Она также может стать полезным инструментом для скрининга новых соединений при разработке лекарственных препаратов.

«Эта новая возможность обеспечивает нас динамичным картированием изменений, происходящих в клетках на молекулярном уровне», – говорит соавтор исследования исполнительный директор Института лазеров, фотоники и биофотоники (Institute for Lasers, Photonics and Biophotonics – ILPB) Университета Баффало, почетный профессор кафедр химии, физики, электроники и медицины доктор философии Парас Прасад (Paras N. Prasad). «Она дает нам очень четкую визуальную картину динамики белков, ДНК, РНК и липидов в процессе распада клеток».

Директор Института лазеров, фотоники и биофотоники
(Institute for Lasers, Photonics and Biophotonics)
Парас Прасад (Paras Prasad) разработал биофотонный
метод визуализации для мониторинга апоптоза.
(Credit: Douglas Levere University at Buffalo)

Прасад отмечает, что возможности молекулярной медицины, в которой лечение или профилактика должны быть разработаны с учетом свойств клеток конкретного пациента, зависят от совершенства методов визуализации процессов, имеющих критическое значение для клеток.

«Это исследование помогает углубить наше понимание внутриклеточных событий, происходящих на молекулярном уровне», – объясняет ученый. «Если мы знаем, что определенные молекулярные изменения представляют собой ранние признаки болезни, или нам известно, какие изменения являются свидетельством предрасположенности пациента к развитию данного заболевания, мы можем начать целенаправленное лечение или даже предотвратить развитие болезни».

Для получения изображения клеток междисциплинарная группа ученых Университета Баффало, включавшая в себя биологов, химиков и физиков, под руководством Прасада использовала передовой биофотонный подход, сочетающий в себе три технологии: нелинейную оптическую систему визуализации – когерентное антистоксово комбинационное рассеяние (CARS – Coherent anti-Stokes Raman scattering), двухфотонно-возбуждаемую флуоресценцию (TPEF – two-photon excited fluorescence), с помощью которой можно визуализировать живые ткани и клетки с глубоким проникновением, и восстановление флуоресценции после фотообесцвечивания (FRAP – Fluorescence Recovery after Photobleaching) для измерения динамики белков.

«Такой подход впервые позволил нам за одно сканирование осуществить мониторинг четырех различных типов изображений, характеризующих распределение в клетке белков, ДНК, РНК и липидов», – говорит доктор философии Аляксандр Качинский (Aliaksandr V. Kachynski), научный сотрудник ILPB и соавтор исследования.

Получившееся в результате сложное изображение объединяет в одной картинке информацию о четырех типах биомолекул, каждый из которых представлен своим цветом: белки – красным, РНК – зеленым, ДНК – синим, липиды – серым.

Ученые разработали метод биофотонной визуализации, дающий возможность в реальном времени проводить мониторинг изменений, происходящих с макромолекулами в процессе апоптоза – запрограммированной клеточной смерти. (Credit: Image courtesy of University at Buffalo)

Мультиплексное изображение предоставляет новую информацию о скорости, с которой белки диффундируют через клеточное ядро.

До запуска программы апоптоза белки распределены относительно равномерно, но с его началом ядерные структуры распадаются, распределение белков становится неравномерным и скорость их диффузии замедляется», – говорит доктор философии Артем Плисс (Artem Pliss), научный сотрудник ILPB и соавтор статьи. «Это исследование дает нам уникальную возможность углубить наше понимание отдельных субклеточных структур и тех изменений, которые они претерпевают».

Такая точная информация будет особенно полезна для мониторинга влияния конкретных противораковых препаратов на отдельные клетки.

«Например, если больному раком пациенту назначается химиотерапия, эта система позволит отслеживать изменения в клетках на протяжении всего процесса лечения», – поясняет Качинский. «Врачи смогут определить оптимальные условия для уничтожения раковых клеток с учетом конкретной формы заболевания. Лучшее понимание взаимодействия между биомолекулами и лекарственным препаратом поможет определить его оптимальные дозы, чтобы минимизировать побочные эффекты.

Преимущества мультиплексной системы визуализации, разработанной учеными UB, и ее молекулярная избирательность были использованы в новом фундаментальном исследовании клеток – изучении структурной реорганизации в митотическом цикле.