Forskere udvikler optiske værktøjer til at opdage metaboliske ændringer forbundet med sygdom

Metaboliske ændringer i celler kan forekomme i de tidligste stadier af sygdom. I de fleste tilfælde, kendskabet til disse signaler er begrænset, da vi normalt først opdager sygdom, efter at den har gjort betydelig skade. Nu, et hold ledet af ingeniører ved Tufts University School of Engineering har åbnet et vindue ind i cellen ved at udvikle et optisk værktøj, der kan aflæse metabolisme ved subcellulær opløsning, uden at skulle forstyrre celler med kontrastmidler, eller ødelægge dem for at udføre analyser. Som rapporteret i dag i Videnskabens fremskridt , forskerne var i stand til at bruge metoden til at identificere specifikke metaboliske signaturer, der kunne opstå ved diabetes, Kræft, kardiovaskulære og neurodegenerative sygdomme.

Metoden er baseret på fluorescensen af ​​to vigtige coenzymer (biomolekyler, der arbejder sammen med enzymer), når de exciteres af en laserstråle. Coenzymerne - nikotinamidadenindinukleotid (NADH) og flavinadenindinukleotid (FAD) - er involveret i et stort antal metaboliske veje i hver celle. For at finde ud af de specifikke metaboliske veje påvirket af sygdom eller stress, Tufts-forskerne så på tre parametre:forholdet mellem FAD og NADH, fluorescens "fade" af NADH, og organiseringen af ​​mitokondrier som afsløret ved den rumlige fordeling af NADH i en celle (de energiproducerende "batterier" i cellen).

Den første parameter - de relative mængder af FAD til NADH - kan afsløre, hvor godt cellen forbruger ilt, metabolisere sukkerarter, eller producere eller nedbryde fedtmolekyler. Den anden parameter - fluorescens "fade" af NADH - afslører detaljer om det lokale miljø i NADH. Den tredje parameter - den rumlige fordeling af NADH i cellerne - viser, hvordan mitokondrierne splittes og smelter sammen som reaktion på cellulær vækst og stress.

"Taget sammen, disse tre parametre begynder at give mere specifikke, og unikke metaboliske signaturer af cellulær sundhed eller dysfunktion, "sagde Irene Georgakoudi, Ph.D., tilsvarende forfatter til undersøgelsen og en professor i biomedicinsk teknik på Ingeniørskolen på Tufts. "Kraften ved denne metode er evnen til at få information om levende celler, uden brug af kontrastmidler eller vedhæftede etiketter, der kan forstyrre resultaterne."

Der findes andre metoder til ikke-invasivt at spore metaboliske signaturer af sygdom, såsom PET-scanning, som ofte bruges i forskning. Men mens PET-scanninger giver lav opløsning information med fremragende dybdeindtrængning i levende væv, den optiske metode introduceret af Tufts-forskerne detekterer metabolisk aktivitet ved opløsning af enkeltceller, dog mest nær overfladen.

Det er ikke nødvendigvis en begrænsning. Mange sygdomme kan påvises på overfladen af ​​væv, herunder kræft, mens mange prækliniske undersøgelser udføres med dyremodeller og konstrueret tredimensionelt væv, der kan drage fordel af at blive overvåget ikke-destruktivt. Metoden udviklet af Georgakoudi og kolleger kan vise sig at være et stærkt forskningsværktøj til at forstå deres metaboliske signaturer.