Количественная визуализация АТФ позволяет измерять клеточную энергию в реальном времени

Исследователи из Института нанобионаук (WPI-NanoLSI) Университета Канадзавы разработали метод количественной визуализации уровня АТФ внутри живых клеток. Исследование, опубликованное в Nature Communications, представляет qMaLioffG — генетически закодированный индикатор времени жизни флуоресценции, который позволяет учёным наблюдать, как клетки производят и потребляют энергию в реальном времени.

АТФ (аденозинтрифосфат) — универсальное топливо для жизни, питающее почти каждый биологический процесс. Точное измерение уровня АТФ внутри клеток долгое время было сложной задачей: традиционные флуоресцентные индикаторы часто дают лишь приблизительные оценки и подвержены ошибкам из-за интенсивности света или условий визуализации. Новый метод решает эти проблемы, полагаясь на время жизни флуоресценции — продолжительность свечения флуоресцентного белка после импульсного возбуждения — а не на яркость. Это делает измерения более количественными и надёжными.

Экспериментальный подход

Команда под руководством Сатоши Араи создала qMaLioffG, тщательно сконструировав флуоресцентный белок, который ведёт себя по-разному в зависимости от количества присутствующего АТФ. Когда АТФ связывается с этим белком, продолжительность его свечения — известная как время жизни флуоресценции — изменяется измеримым образом. В отличие от яркости, на которую могут влиять настройки микроскопа, концентрация белка или форма клетки, время жизни флуоресценции не зависит от экспериментальных условий и отражает фактическое количество АТФ.

Чтобы проверить свою разработку, исследователи ввели белок qMaLioffG в различные живые клетки и ткани, включая клетки кожи человека, раковые клетки, эмбриональные стволовые клетки мыши и даже мозг плодовой мушки. Затем они применили микроскопию с визуализацией времени жизни флуоресценции (FLIM) — усовершенствованную форму микроскопии, которая фиксирует эти тонкие сдвиги времени жизни. Регистрируя эти изменения в реальном времени, команда создала точные карты уровней АТФ в клетках и тканях, показывающие, где и как используется энергия.

Этот подход знаменует собой значительный прогресс по сравнению со старыми методами, которые могли предоставлять лишь относительные изменения яркости и были подвержены ошибкам из-за освещения или условий визуализации. С помощью qMaLioffG исследователи теперь могут проводить истинно количественную визуализацию АТФ, открывая новые возможности для изучения того, как энергетический метаболизм влияет на здоровье и болезни.

Ключевые результаты

• qMaLioffG обеспечивает надёжную количественную визуализацию АТФ в живых клетках.
• Метод работает в разнообразных системах: от фибробластов, полученных от пациентов, до раковых клеток, стволовых клеток и мозга плодовой мушки.
• Он выявляет тонкие различия в использовании энергии в различных тканях и моделях заболеваний.

«Это первый раз, когда мы можем проводить истинно количественную визуализацию уровня АТФ внутри живых клеток в реальном времени, — сказал Араи. — Это открывает захватывающие возможности для понимания энергетического метаболизма при таких состояниях, как рак, нейродегенеративные заболевания и биология стволовых клеток».

Потенциальное влияние

Ожидается, что этот новый метод ускорит исследования в области энергетического метаболизма, регенеративной медицины и механизмов заболеваний. Поскольку он работает со стандартными лазерными системами на 488 нм, уже распространёнными во многих лабораториях, он будет широко доступен исследователям по всему миру.

Будущие исследования

Хотя qMaLioffG представляет собой значительный шаг вперёд, остаётся несколько проблем. Текущее исследование было сосредоточено на культивируемых клетках, модельных организмах и тканеподобных сфероидах; следующим шагом будет применение метода к целым живым организмам и, в конечном итоге, к человеческим тканям. Исследователям также необходимо изучить, как qMaLioffG работает при долгосрочной визуализации, поскольку энергетический метаболизм очень динамичен и может колебаться в течение часов или дней.

Будущие направления включают:

• Клиническую валидацию — адаптацию qMaLioffG для использования в образцах, полученных от пациентов, для изучения таких заболеваний, как рак, диабет и нейродегенерация.
• Интеграцию с другими методами визуализации — комбинирование картирования АТФ с датчиками кальция или pH для понимания связи энергии с клеточной сигнализацией.
• Применение в открытии лекарств — использование метода для тестирования того, как новые соединения влияют на клеточный энергетический баланс.

Стремясь к количественной визуализации энергии в живых тканях в реальном времени, команда из Канадзавы нацелена на создание платформы, которая могла бы трансформировать биомедицинские исследования и способствовать разработке новых методов лечения.