Флуоресцентные и ратиометрические зонды дают исследователям более детальные данные
Исследователи из Университета Цинциннати Цзяцзе Дяо и Юйцзе Сунь придерживаются простого подхода: сохранять открытый ум и следовать за данными, куда бы они ни вели. Это привело к плодотворному сотрудничеству и недавним публикациям о новых зондах в журналах Chemical Science и Biosensors and Bioelectronics.
Взгляд глубже в ткань
Предыдущие зонды команды фокусировались на лизосомах — структурах, выступающих "центрами переработки" в клетках. Аномальные уровни pH в лизосомах связаны с клеточными нарушениями, ведущими к таким заболеваниям, как рак и болезнь Альцгеймера.
Более ранние версии зондов давали детальную информацию о кислотности лизосом на клеточном уровне, но короткие длины волн света, активирующие зонд, были недостаточно сильны для проникновения в ткани.
"Мы не могли проникнуть глубоко, поэтому зонды были хороши для клеточной визуализации, но не для работы с тканями или живыми организмами (in vivo)", — отметил Дяо.
Новое достижение — использование двух фотонов с более длинной волной для активации зондов (двухфотонная визуализация). Более длинные волны проникают глубже, что позволяет проводить исследования на животных моделях и человеческих тканях.
Сунь и Дяо разработали три двухфотонных зонда, которые локализуются в разных областях клеток и позволяют лучше визуализировать органеллы.
"Это можно использовать для двухфотонной микроскопии, чтобы получать 3D-изображения клеток, органоидов и тканей", — сказал Сунь. — "Мы разрабатываем новые двухфотонные флуоресцентные зонды, чувствительные к различным факторам, таким как pH, вязкость и ионный состав".
"Этот зонд будет подсвечивать отдельные органеллы, и он намного лучше коммерческих двухфотонных зондов, доступных в настоящее время", — добавил Дяо.
Оценка жизнеспособности отдельных клеток
При тестировании новых методов лечения таких заболеваний, как рак, исследователи измеряют жизнеспособность клеток после контакта с терапией.
Традиционно жизнеспособность измеряли на большой популяции из миллионов клеток одновременно. Прогресс в клеточной биологии привел к новому интересу в измерении жизнеспособности отдельных клеток, что дает более специфичные данные о реакции разных типов клеток на лечение.
Работая над предыдущим зондом, измеряющим уровень кислотности, Дяо и Сунь создали контрольную версию, не чувствительную к изменениям pH. Совершенно случайно они обнаружили, что, несмотря на структурное сходство, этот зонд ведет себя иначе, локализуясь в других органеллах.
Новый зонд изначально окрашивает митохондрии клетки (ее "энергостанции"). Но когда клетка повреждена, зонд перемещается и окрашивает ядро, содержащее генетический материал клетки.
"В конечном итоге сигнал от митохондрий начнет ослабевать, а сигнал от ядра — усиливаться. Таким образом, измеряя соотношение интенсивности цвета между митохондриями и ядром, мы можем количественно оценить жизнеспособность отдельных клеток", — объяснил Дяо. — "Это совершенно новая концепция. Такого раньше никто не делал".
В долгосрочной перспективе команда надеется, что зонд поможет больше узнать о биологических различиях, влияющих на то, погибнет ли клетка сразу от лечения или разовьет устойчивость.
"Мы хотим уничтожать плохие клетки и хотим, чтобы хорошие клетки жили дольше. Мы хотим помогать в этом на уровне отдельной клетки", — сказал Дяо.
Сунь отметил, что они также будут работать над расширением спектрального окна зонда (максимальной длины волны для его активации): "Поскольку фотоны с большей длиной волны имеют лучшее проникновение в ткани, мы сможем видеть глубже".
Успешное сотрудничество
Сунь и Дяо являются содиректорами Центра химической визуализации в биомедицине Университета Цинциннати, цель которого — расширять границы визуализации путем разработки новых методов, зондов и оборудования.
Дяо объясняет их успех общим мышлением, свободным от предвзятых представлений о том, куда может привести исследование: "Самое важное — всегда сохранять открытый ум, часто общаться и не ограничивать себя. Мы всегда говорим: данные — это данные. Часто самый большой спор возникает из-за предустановленного воображения".
Исследовательская команда постоянно корректирует ожидания и цели, когда видит возможность ощутимого прогресса.
Ключевым аспектом партнерства, по словам Суня, является аспирант-химик Руй Чен, которого они совместно курируют: "Руй стал мостом между нашими группами. Взаимодополняющий опыт наших двух групп действительно делает нас отличной командой для синергетической работы. Я оптимистично настроен в отношении наших будущих достижений в области биовизуализации".