2023 Avtor: Sophia Otis | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-05-21 01:53
Presežne količine naravno fluorescentne molekule, ki jo najdemo v vseh živih celicah, bi lahko služile kot naravni biomarker za raka, menijo bioinženirji.
NADH ali nikotinamid adenin dinukleotid je ključni koencim – nebeljakovinska molekula, potrebna za delovanje encima – najdemo večinoma v notranji membrani celične elektrarne ali mitohondrijev. Poganja vrsto biokemičnih reakcij, ki vključujejo različne encime za proizvodnjo ATP, glavnega vira energije v celicah. V primeru bolezni ali presnovne motnje lahko ti encimi in z njimi povezane reakcije postanejo onemogočeni, kar povzroči kopičenje neporabljenega NADH.
"Znano je, da so disfunkcionalni encimi v mitohondrijih povezani z resnimi zdravstvenimi težavami, kot so rak in nevrodegenerativne bolezni," je dejal Ahmed Heikal, izredni profesor za bioinženiring v Penn State. "Z odkrivanjem ravni NADH in njegove porazdelitve znotraj živih celic bi morali biti sposobni spremljati mitohondrijsko aktivnost in s tem celovitost katere koli celice, ne da bi dodali potencialno strupena barvila ali dejansko uničili celico."
Po Heikalu je eden od glavnih izzivov pri diagnozi raka sposobnost razlikovanja rakavih celic od normalnih v zgodnjih fazah napredovanja tumorja.
Da bi ločili kritično razliko med normalnimi in rakavimi celicami, so raziskovalci uporabili fluorescenco naravnega NADH. S kombinacijo najsodobnejših tehnik spektroskopije in mikroskopije so raziskovalci tako fluorescenco lahko pretvorili v natančno merilo koncentracije NADH v živih celicah. Heikal in Yu, podiplomska študenta bioinženiringa, sta ugotovila, da je povprečna koncentracija NADH v celicah raka dojke približno dvakrat večja od normalnih celic dojk.
"Če bi dobili dve živi celici, eno normalno in drugo rakavo, bi lahko z zaupanjem razlikovali med obema," je dejal Heikal, katerega ugotovitve ekipe so objavljene danes (2. aprila) v Journal of Photochemistry and Photobiology. B: Biologija. "Prvič smo lahko kvantificirali koncentracijo NADH v živih celicah dojk in rakavih celicah dojk."
Raziskovalci so preučili tudi količine NADH v celici, ki je prosta, in koliko je vezanega na druge encime. Te količine so različne v normalnih in rakavih celicah.
"Ugotovili smo, da intenzivnost fluorescence ni odvisna samo od koncentracije NADH, ampak tudi od njegove strukture - brez ali vezane na encime - ter od mesta znotraj celice - v citoplazmi (nejedrni del celico) ali v mitohondrijih," je pojasnil Heikal."Ker bi se prosta molekula NADH vrtela - padala - hitreje kot NADH, ki je vezan na encim, smo lahko razvili tehniko, imenovano rotacijsko difuzijsko slikanje, da bi vzpostavili neposredno merjenje koncentracij prostega in na encim vezane NADH v živi celici, ne glede na to, ali v citosolu (celični tekočini) ali mitohondrijih."
Za potrditev svojih ugotovitev, da lahko motnje kemičnih reakcij, ki proizvajajo ATP, povzročijo povečanje NADH, sta Heikal in Yu normalne celice dojk izpostavila kalijevemu cianidu, znanemu zaviralcu nekaterih od teh kritičnih mitohondrijskih encimov.
Raziskovalci so ugotovili, da se je koncentracija NADH v normalnih celicah povečala, ko so bili izpostavljeni kalijevemu cianidu. Tudi relativne količine NADH v mitohondrijih so se znatno povečale.
Drugi raziskovalci so predhodno merili količino NADH v celicah z uporabo običajnih biokemičnih tehnik, ki zahtevajo uničenje celic. Vendar Heikal verjame, da meritve mrtvih celic ne dajejo informacij o porazdelitvi NADH v celicah in morda niso točne ali pomembne za diagnostično ali klinično uporabo.
"Prednost našega nedestruktivnega pristopa je, da je lokacija NADH v celici povezana z njeno funkcijo pri preživetju celice," je pojasnil Heikal. "Ko uničite celico, ne veste, kje so molekule NADH obstajale v celici in kakšno vlogo so morda imele pri preživetju celice. Za natančno diagnozo morate imeti celični kontekst, da bolje razumete težavo."
Po mnenju raziskovalca Penn State bi zmožnost natančnega merjenja ravni NADH v celici, ne da bi jo ubili, lahko imela potencialne posledice za povezane raziskave o zdravju ljudi in dajanju zdravil.
"Naša tehnika ni omejena na odkrivanje raka. Z našo metodo je mogoče odkriti tudi druge nevrodegenerativne bolezni, povezane z mitohondrijskimi anomalijami," je dejal Heikal. "Naš pristop lahko uporabimo tudi za količinsko opredelitev učinkovitosti novega zdravila pri manipuliranju aktivnosti mitohondrijskih encimov, povezanih s proizvodnjo energije v celicah."
Nacionalni inštituti za zdravje, Nacionalna znanstvena fundacija in Johnson & Johnson so financirali to delo.
