14 December 2021, 9:00

Свечение молекул в шарообразных культурах клеток поможет бороться с нейродегенеративными и генетическими заболеваниями

Российские ученые разработали метод, который в режиме реального времени выявляет нарушения метаболизма нервных клеток, возникающие при серьезных генетических и нейродегенеративных заболеваниях, таких как синдром Дауна, болезни Альцгеймера и Паркинсона. Для этого биологи измерили свечение вещества, участвующего в метаболических процессах клеток. Сами клетки выращивали в виде шаров-сфероидов — так условия наиболее близки к природным. Разработка поможет при проверке эффективности новых лекарств и диагностике заболеваний. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Biomedicines.

Свечение молекул в шарообразных культурах клеток поможет бороться с нейродегенеративными и генетическими заболеваниями
Флуоресценция связанной формы НАД(Ф)Н в клетках с дополнительной 21-й хромосомой (слева) и в здоровых клетках (справа)

Нейродегенеративные и некоторые наследственные заболевания, например синдром Дауна, вызывают многочисленные «поломки» в клетках нервной ткани, что негативно сказывается на работе головного мозга. Одно из таких нарушений связано с тем, что митохондрии — энергетические станции клетки — начинают медленнее окислять органические вещества, из-за чего клетка получает меньше энергии. Это может привести к неправильному развитию нейронов и снижению их активности. Поэтому для диагностики заболеваний и при тестировании лекарств, замедляющих их прогрессирование, ученые отслеживают процессы, которые протекают в митохондриях. Все существующие для этого методы основаны на введении в клетки красящих веществ, которые часто имеют токсический эффект и поэтому небезопасны для живых организмов. 

Ученые из Приволжского исследовательского медицинского университета (Нижний Новгород), Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова (Москва), Института биологии развития имени Н. К. Кольцова РАН (Москва), Центра высокоточного редактирования генома и генетических технологий для биомедицины Российского национального исследовательского медицинского университета имени Н. И. Пирогова (Москва), Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского (Нижний Новгород) и Московского физико-технического института (Москва) разработали новый безопасный метод, который позволяет в режиме реального времени отслеживать изменения метаболизма нервных клеток. 

Исследование проводили на сфероидах — нейральных стволовых клетках, выращенных методом висящей капли. Подход заключается в том, что питательная среда, в которой находятся клетки, свисает под действием силы тяжести с твердой поверхности, например стекла, тем самым создавая условия, наиболее близкие к организму человека. Биологи исследовали два типа нейронов: здоровые и имеющие дополнительную 21-ю хромосому, то есть с набором, характерным для синдрома Дауна. 

Активность окислительных процессов в митохондриях оценивали по количеству молекул НАД(Ф)Н. Это соединение существует в клетке в двух состояниях: свободном и связанном с ферментом, который осуществляет окисление. Когда митохондрии активно функционируют и вырабатывают много энергии, большая часть НАД(Ф)Н находится в связанном состоянии. Известно, что эти молекулы флуоресцируют, то есть при возбуждении светом определенной длины волны начинают светиться. При этом свободный НАД(Ф)Н обладает более низкими характеристиками флуоресценции, чем связанный, благодаря чему состояния молекулы можно различить. 

Другим признаком, по которому ученые оценивали метаболические процессы в нейронах, была кислотность среды (рН). В норме ее значение близко к нейтральному (7,0), а если в клетке окислительно-восстановительные реакции протекают с нарушениями, этот показатель изменяется в меньшую (кислую) или большую (щелочную) сторону. Значения рН биологи определяли, измеряя уровень флуоресценции встроенного в нервные клетки белка, чувствительного к кислотности цитоплазмы. Его флуоресценция, как и у НАД(Ф)Н, изменяется в зависимости от условий.

Флуоресценцию НАД(Ф)Н и белка-детектора ученые вызывали под микроскопом лазерным лучом. На этом же приборе улавливали интенсивность ответного свечения. Такой метод позволил определить, что в нейральных стволовых клетках с дополнительной хромосомой НАД(Ф)Н находится преимущественно в свободном состоянии, что свидетельствует о том, что окислительные реакции в митохондриях нарушаются, а значит, клетки не получают необходимого количества энергии. Кроме того, оказалось, что в цитоплазме более высокие значения рН, то есть слабощелочная среда, которая также указывает на нарушение метаболизма. 

«С помощью сфероидов — модели, максимально приближенной к условиям in vivo, — мы предложили простой, высокочувствительный и неинвазивный метод, который позволяет оценить метаболизм нервных клеток в режиме реального времени. Он поможет при разработке новых подходов к лечению генетических и нейродегенеративных заболеваний, а также оценке эффективности различных лекарств», — рассказала руководитель проекта по гранту РНФ Александра Кашина, кандидат биологических наук, заведующий лабораторией регенеративной медицины ПИМУ. 

 

News article organizations

News article publications

Read also

Белок-защитник может лежать в основе нейродегенеративных болезней и старения
Ядерный белок-регулятор ситруин-6 оказался центральным регулятором активности клеточных «энергостанций»-митохондрий в головном мозге. Без него эти органеллы не смогли обеспечить нормальную работу нейронов
Cell Biology
Molecular Biology
Neuroscience
14 February 2023
Коллагеновый гель позволил восстановить поврежденные нервы
С его помощью удалось восстановить работу конечности с пережатым нервом за месяц
Biomedicine
Cell Biology
Molecular Biology
Neuroscience
14 December 2022
Найдена новая форма жизненно важных белков — актинов
Ученые из Московского физико-технического института совместно с коллегами из Института цитологии РАН, Объединенного института ядерных исследований и Университета Южной Флориды (США) изучили инактивированную форму белка актина. Это исследование поможет в понимании механизмов функционирования ядра живой клетки — органеллы, в которой сосредоточен наследственный аппарат, и в разработке новых методов терапии возрастных заболеваний.
Cell Biology
Microbiology
Molecular Biology
11 February 2024
Соседние с опухолью клетки отличаются от здоровых клеток человеческого тела
Международный коллектив представил результаты исследования о воздействии раковых образований на соседние ткани. Ранее это воздействие детально не изучалось. Полученные данные помогут разработать более эффективные методы лечения онкологических заболеваний и создать лекарственные препараты нового поколения.
Cancer Research
Cell Biology
Molecular Biology
Oncology
24 January 2024
Усовершенствованные плазмиды облегчат получение терапевтически значимых белков
Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН усовершенствовали конструкцию генетического вектора, с помощью которого в клетках млекопитающих можно синтезировать белки, используемые для лечения различных заболеваний, например гемофилии и бесплодия. Авторы уменьшили размер генетической конструкции на одну треть таким образом, что уровень биосинтеза модельного белка увеличился на 20%, сохранив а способность векторной плазмиды поддерживать постоянный уровень биосинтеза белков в течение 60 дней практически не изменилась.
Cell Biology
Genetics
Molecular Biology
26 November 2023
Стареющие клетки с высоким уровнем белка p16 препятствуют омоложению тканей
Накопление клеток с большим количеством белка p16 препятствует омоложению тканей. К такому выводу ученые пришли после экспериментов, которые показали: если удалить «стареющие» клетки, богатые р16, то культуры, проходящие процедуру ре-программирования, приобретают признаки стволовых клеток эффективнее, возвращая свою «молодость». Это открытие поможет в разработке подходов для замедления старения и увеличения продолжительности и качества жизни.
Cell Biology
Cytology
Molecular Biology
13 October 2023