Новый метод визуализации для отслеживания клеточного метаболизма

Ученые из EPFL применили новую технологию визуализации, чтобы отследить, как используется глюкоза — наш основной источник энергии. Их открытия могут иметь большое значение для лечения таких заболеваний, как диабет.

Глюкоза необходима для производства энергии в организме, и ее уровень в крови должен тщательно поддерживаться, особенно в чувствительных органах, таких как мозг. В клетках глюкоза запасается в виде молекулы гликогена. Однако, несмотря на важность гликогена при нарушениях вроде диабета и гипогликемии, его распределение и метаболизм в организме оставались малоизученными. Используя новую технологию визуализации NanoSIMS (ранее применявшуюся, например, для анализа метеоритов), ученые EPFL смогли проследить, как используется гликоген в клетках печени и мозга. Их работа опубликована в Nanomedicine.

Понимание того, как клетки запасают, распределяют и метаболизируют гликоген, имеет ключевое значение для лечения связанных с ним нарушений, таких как диабет и гипогликемия. Оба состояния характеризуются сниженным распадом гликогена, что приводит к меньшему высвобождению глюкозы в кровь и последующей потере энергии. Истощение запасов гликогена также вызывает у спортсменов-марафонцев, лыжников и велосипедистов явление, известное как «стена».

Несмотря на центральную роль в работе организма, распределение гликогена во времени остается неясным. Одна из причин — обычный метод визуализации, МРТ, не обладает необходимой чувствительностью для достижения пространственного разрешения, достаточного для визуализации гликогена внутри отдельных клеток.

Под руководством Арно Коммента и Андерса Мейбома из EPFL, в коллаборации с коллегами из EPFL и UNIL, ученые использовали новую технологию визуализации, чтобы успешно проследить динамику гликогена в печени и мозге мышей с течением времени.

NanoSIMS (SIMS — вторичная ионная масс-спектрометрия) — это ионный микрозонд, который бомбардирует твердый образец пучком «тяжелых» частиц, например, атомов цезия. Бомбардировка выбивает ионы из образца, которые затем идентифицируются масс-спектрометром. Данные об отдельных ионах используются для определения химического состава образца.

NanoSIMS может превзойти разрешение обычных систем МРТ, так как сканирует образец со сверхвысоким пространственным разрешением в 100 нанометров (около 1/100 длины клетки). Это позволяет отслеживать молекулы внутри клетки, чем и воспользовались Коммент и его коллеги.

Исследователи применили NanoSIMS к образцам тканей печени и мозга, предварительно обогащенным стабильным изотопом глюкозы, который можно отслеживать при визуализации. Однако изображения NanoSIMS представляют собой цвета и линии и недостаточны для локализации молекул в клетке. Поэтому образцы также фотографировали с помощью электронного микроскопа, который давал реальное изображение ткани и клеток. Команда наложила изображение NanoSIMS на реальную фотографию с электронного микроскопа и получила полную картину распределения гликогена в клетках печени и мозга.

Используя этот метод с разными временными интервалами, исследователи смогли отследить, как формируется гликоген с течением времени и в каких частях клеток. Их результаты показали, что клетки печени запасают глюкозу в виде гликогена почти в 25 раз быстрее, чем клетки мозга (астроциты).

Метод можно использовать для отслеживания других биологических молекул, например, нейромедиаторов в мозге. Команда Коммента планирует это сделать, чтобы с помощью нового подхода достичь высокого разрешения при визуализации распределения и метаболизма сигнальных молекул в разных частях мозга. Также команда работает над повышением точности детекции, комбинируя метод с флуоресцентной микроскопией.