Как умирают клетки? Биофотонные инструменты показывают динамику в реальном времени и в цвете

Апоптоз, или запрограммированная гибель клеток, необходим для нормального развития, здоровой работы иммунной системы и профилактики рака. Этот процесс кардинально преобразует клеточные структуры, но ограничения обычных методов микроскопии оставляли многое в этой структурной реорганизации загадкой.

Теперь, в исследовании, представленном на обложке текущего выпуска Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые из Университета в Буффало разработали биофотонный метод визуализации, способный в реальном времени отслеживать преобразования макромолекул во время запрограммированной гибели клеток.

Эта работа может помочь реализовать потенциал персонализированной молекулярной медицины, где, например, химиотерапия может быть точно нацелена на клеточные изменения, проявляемые у отдельных пациентов. Метод также может стать ценным инструментом для разработки лекарств и скрининга новых соединений.

Новый подход сочетает три техники:

• CARS (когерентное антистоксово комбинационное рассеяние) — нелинейная оптическая система.
• TPEF (двухфотонная флуоресценция) — визуализация живых тканей и клеток на большой глубине.
• FRAP (восстановление флуоресценции после фотообесцвечивания) — измерение динамики белков.

Впервые этот подход позволяет за одно сканирование получить четыре разных типа изображений, характеризующих распределение белков, ДНК, РНК и липидов в клетке. Результирующее составное изображение интегрирует информацию обо всех четырех типах биомолекул, где каждый тип представлен своим цветом: белки — красным, РНК — зеленым, ДНК — синим, липиды — серым.

Мультиплексная визуализация предоставила новую информацию о скорости диффузии белков через клеточное ядро. До индукции апоптоза распределение белков было относительно равномерным, но как только апоптоз начинается, ядерные структуры распадаются, белки распределяются неравномерно, а скорость их диффузии замедляется.

Такая точная информация будет особенно полезна для мониторинга того, как конкретные противораковые препараты влияют на отдельные клетки. Клиницисты смогут определять оптимальные условия для уничтожения раковой клетки при конкретном типе заболевания. Улучшенное понимание взаимодействий лекарств и биомолекул поможет найти оптимальные дозы лечения, чтобы минимизировать побочные эффекты.

Преимущества мультиплексной системы визуализации и ее молекулярная селективность уже расширены в новом фундаментальном исследовании клеток, посвященном структурной реорганизации на протяжении митотического клеточного цикла.