Флуоресценция клеток организма поможет определить границы опухолей

Изучив источники излучения в тканях человеческого организма, ученые МГУ определили, что продукты окисления клеток могут излучать свет в красном спектре в ответ на облучение. Зная все источники излучения и характеристики сигнала, можно более точно определять границы опухолей и степень старения клеток. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ), результаты работы опубликованы в журнале Molecules, о них можно узнать из пресс-релиза РНФ.

Для анализа биологических тканей часто используется метод флуоресцентной диагностики. Его суть заключается в том, что на ткань подают свет с определенной длиной волны, он приводит находящиеся в молекулах-флуорофорах электроны в возбужденное состояние. Однако это состояние неустойчиво, и электроны быстро возвращаются на свой исходный энергетический уровень, а энергия, полученная при этом переходе, превращается в свет (флуоресценцию). В красном спектре собственная флуоресценция тканей и клеток минимальна, но именно она может быть маркером опухолей и старения клеток. Зная, с какой силой и сколько по времени они излучают свет, можно, например, определить границы опухоли. В то же время природа красной флуоресценции остается неизвестной.

Существует гипотеза, что источником флуоресценции могут быть продукты окисления белков, липидов, ДНК и аминокислот. Они образуются под действием свободных радикалов кислорода, которые притягивают к себе электроны молекул в клетках, в результате чего изменяется их структура и состав. Так, в процессе окисления в клетках накапливается, например, липофусцин — так называемый «пигмент старения», чем больше его в клетке, тем сильнее излучение. Разница в уровне окислительных процессов позволяет определять границы раковой опухоли. Также излучение способно повлиять на результаты анализа старения клеток.

Чтобы доказать, что продукты окисления могут испускать свет в красном спектре после облучения, ученые сначала подвергали водные растворы белков и ДНК фотоокислению, после чего измеряли оптические свойства полученных образцов. Сигнал, исходящий от необлученных образцов, был почти незаметен, в то время как окисленные молекулы флуоресцировали в широком диапазоне длин волн возбуждения, включая красный свет.

На втором этапе исследования были изучены качественные характеристики флуоресценции продуктов окисления в кератиноцитах — клетках человеческой кожи. На них подавали ультрафиолетовое излучение с длиной волны 254 нанометра. Сразу после этого изменений не наблюдалось, однако интенсивность излучения увеличилась спустя 5–15 часов в зависимости от силы возбуждающего света. Кератиноциты были взяты для исследования, так как верхний слой кожного покрова состоит из них на 90 %, и под воздействием ультрафиолетового излучения в коже образуется большое количество свободных радикалов, усиливающих процесс окисления. Флуоресценция клеток, в которых происходит окислительный стресс, может перекрывать фоновый сигнал биологических тканей.

«Концентрация аминокислот, липидов, белков и других компонентов в клетках и тканях человеческого организма выше, чем в использованных нами растворах. Поэтому при анализе биологических тканей сигнал, исходящий от продуктов окисления, будет сильнее. Их флуоресценция может обеспечивать определенный вклад в результирующий сигнал, особенно в красной области спектров, где влияние других собственных флуорофоров мало», — отмечает руководитель проекта по гранту РНФ Евгений Ширшин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Сейчас ученые занимаются изучением причин флуоресценции в гетерогенных смесях флуорофоров, являющихся продуктами окисления. Полученные в этом исследовании данные внесли вклад в изучение природы излучения в красном спектре и могут быть использованы для более точной интерпретации результатов медицинских исследований и определения источников излучения в биологических тканях.

Лабораторные исследования были проведены при поддержке Национального медицинского научно-исследовательского центра онкологии имени Н. Н. Блохина и Сколковского института науки и технологий.