Двойное обнаружение изменений в клетках может помочь в ранней диагностике заболеваний

Химические зонды, обнаруживающие изменения двух факторов, связанных с воспалением внутри клеток, могут привести к более раннему выявлению болезней.

Зонды измеряют изменения уровней монооксида углерода (CO) и вязкости (липкости) жидкости внутри клеток. Оба параметра связаны с воспалением и являются потенциальными маркерами сердечно-сосудистых заболеваний.

Их можно использовать при тестировании биопсийных образцов на признаки болезни. Они также раскрывают фундаментальные механизмы влияния болезни на клетки, что может привести к новым подходам к лечению.

Зонды были разработаны исследователями из Департамента химии Имперского колледжа Лондона. Их исследование опубликовано в Angewandte Chemie, International Edition.

CO естественным образом вырабатывается в клетках млекопитающих и выполняет ряд функций, включая помощь в снижении воспаления. Поэтому при наличии воспаления уровни CO повышаются.

Другой параметр, который меняется во время воспаления, — это вязкость жидкости внутри клеток. Вязкость, по-видимому, изменяется при изменении уровней короткоживущих реактивных химических веществ, называемых активными формами кислорода (ROS), что может влиять на передачу сигналов и транспорт молекул внутри клеток.

Таким образом, измерение как CO, так и вязкости может пролить свет на механизм заболевания (например, участвуют ли ROS) или даже обеспечить раннюю диагностику. Однако создание зондов, способных точно определять эти изменения в сложной внутриклеточной среде, оказалось трудной задачей.

Оба параметра одновременно

Теперь исследовательская группа из Имперского колледжа объединила молекулярные зонды для определения CO и вязкости и показала, что они могут успешно измерять изменение обоих параметров в клетках в лаборатории.

Руководитель группы доктор Джеймс Уилтон-Эли из Департамента химии сказал: «Впервые мы создали зонд, который позволяет нам видеть изменения обоих параметров в одном и том же месте клетки. Зонды, способные предоставлять такую степень информации о клеточной среде, могут быть использованы для помощи в ранней диагностике заболеваний. Такие инструменты также предоставляют ключевую информацию о механизмах, которые использует наш организм для борьбы с болезнью, и могут быть использованы для разработки более эффективных методов лечения».

Доктор Уилтон-Эли и его команда ранее разработали зонд для обнаружения CO в клетках, взятых у мышей, используя молекулу, которая флуоресцирует (светится), когда зонд связывается с CO, чтобы сигнал можно было обнаружить с помощью микроскопа.

Команда объединилась с другой группой в Департаменте химии под руководством доктора Марины Куимовой, которая имеет опыт в обнаружении изменений вязкости с помощью «молекулярных роторов». Скорость, с которой флуоресценция этих молекул затухает со временем, зависит от внутренней гибкости молекулы, которая, в свою очередь, зависит от вязкости. Более высокая вязкость приводит к более медленному вращению и, как следствие, к увеличению времени жизни флуоресценции.

Двойная чувствительность

Совместная работа членов двух команд — доктора Джонатана Робсона и доктора Маркеты Кубанковой — позволила объединить их конструкции зондов. Они создали зонд с центром на основе металла рутения, который избирательно связывается с CO и вызывает 16-кратное усиление флуоресценции. В то же время блок молекулярного ротора реагирует на вязкость, изменяя время жизни своей флуоресценции.

Доктор Куимова сказала: «Двойная чувствительность этих новых зондов уникальна и использует тот факт, что различные флуоресцентные параметры одного и того же зонда (в данном случае интенсивность и время жизни) могут быть спроектированы для независимого реагирования на разные стимулы».

После подтверждения того, что зонд стабилен, нетоксичен и на него не влияют факторы, отличные от CO и вязкости, команда доказала его способность к обнаружению в живых клетках. Они «напрягли» клетки, создав среду с дефицитом кислорода, что имитирует воспаление и вызывает высвобождение CO.

Помимо обнаружения заболеваний, зонды могут быть использованы для решения других вопросов о клеточных реакциях на воспаление. С этой целью доктор Уилтон-Эли и коллеги из Королевского колледжа Лондона планируют изучить взаимосвязь между реакцией пациента с раком на химиотерапию и экспрессией фермента HO-1, который генерирует монооксид углерода и связан с подавлением иммунной системы.