Ученые нашли способ обнаружить стареющие «зомби-клетки» с помощью света

Фото из открытых источников

Стареющие клетки в легких и коже мышей имеют общий сигнал, связанный с жировой тканью, который может быть обнаружен лазером, что является шагом к их обнаружению без биопсии. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Aging.

С возрастом некоторые наши клетки перестают делиться, но не умирают. Они накапливаются в тканях с годами, однако стандартные методы их обнаружения уничтожают именно те клетки, которые проверяются.

В ходе исследований на мышах группа ученых обнаружила химический профиль, общий для этих клеток, который может быть уловлен лучом света, не затрагивая при этом ткань. Это может превратить разрушительный тест в тест, который в принципе можно повторить.

Исследователи предложили идею эндоскопа, который в будущем сможет обнаруживать эти клетки внутри живого организма.

«Чтобы было ясно, мы не создавали это устройство. Это исследование проводилось на срезах тканей мышей», — сказал соавтор исследования Чон Ун Кан из Центра лазерных биомедицинских исследований Массачусетского технологического института.

Биологи называют такие клетки стареющими. Клетка часто переходит в это состояние после повреждения ее ДНК. С этого момента деление прекращается навсегда, хотя форма и химический состав водорослей меняются.

По мере старения тканей накапливаются стареющие клетки. Поскольку они перестают делиться, не погибая, их часто называют «клетками-зомби». Однако эти стареющие клетки не всегда вредны. Они также могут играть важную роль в заживлении ран, помогая поврежденным тканям восстанавливаться.

Обычно маркерами таких клеток служат белки, например, p21, который останавливает цикл клеточного деления. Для обнаружения этих белков в тканях обычно требуется окрашивание или обработка образцов таким образом, чтобы исследователям не приходилось повторно изучать одни и те же живые клетки.

«Сегодня невозможно измерить количество стареющих клеток в организме человека без биопсии и разрушения тканей», — сказал Кан.

Он отметил, что в настоящее время тестируются препараты, предназначенные для уничтожения этих клеток, однако проверить их эффективность у конкретного пациента непросто.

В рамках Сети по изучению клеточного старения Кан работал с Питером Со, директором центра, и Цзянь Шу из Массачусетской больницы общего профиля и Гарвардской медицинской школы.

Исследователи использовали метод, называемый рамановской микроскопией. Лазер направляется на тонкий срез ткани, и небольшое количество света рассеивается обратно, вызывая незначительные изменения, которые позволяют выявить химический состав клеток.

Эти изменения зависят от химических связей в клетке, поэтому данный паттерн действует как отпечаток пальца для жиров, белков, сахаров и ДНК. Исследователи изучали легкие и кожу мышей в возрасте 2 и 26 месяцев, по три животных в каждой возрастной группе для каждого органа. Сначала они сканировали каждый срез светом.

Затем они определили, какие из 890 генов были активированы в каждой клетке того же среза, так что химический состав и активность генов совпали в каждой клетке. Команда также секвенировала генетический материал из 35 474 клеток легких и 12 128 клеток кожи, считая клетку стареющей, если в ней активен ген p21. Даже в старых тканях эти клетки встречались редко, составляя менее 2% от общего числа клеток в тех типах тканей, где они были наиболее распространены.

На генетическом уровне стареющие клетки в двух органах выглядели совершенно по-разному. В легких стареющие клетки активировали гены, связанные с ремоделированием тканей и образованием рубцов. В коже они активировали гены, участвующие в поддержании внешнего защитного барьера кожи.

Световой узор состоит из узких полос, некоторые из которых связаны с липидами, жирами и жироподобными молекулами в клеточных мембранах. Кан сказал, что результаты генетических исследований породили определенные ожидания.

«Поэтому я ожидал, что их химический состав тоже будет отличаться. Однако, когда мы оценили, какие признаки лучше всего идентифицируют стареющие клетки, одна и та же полоса, связанная с липидами, в спектре Рамана оказалась на первом месте в обоих органах», — сказал он.

Как в легких, так и в коже рассеянный свет от стареющих клеток был сильнее в этом диапазоне. Затем команда нанесла небольшие раны на кожу старых мышей.

Три дня спустя клетки вблизи раны активировали ген p21 и те же гены, отвечающие за формирование барьера, и продемонстрировали тот же более сильный липидный сигнал.

«Объединённые химические цепочки в совершенно разных генных программах позволяют предположить, что ремоделирование липидов может быть общей чертой старения», — сказал Кан.

Исследователи объединили наиболее информативные световые сигналы и гены в узор, который они назвали штрихкодом. Они обучили компьютерную программу на 70% клеток и протестировали ее на остальных.

Используя только генетические данные, программа смогла отличить стареющие клетки от обычных с точностью около 74% в легких и 62% в коже. Добавление данных об освещенности повысило эти показатели до 78% и 65% соответственно.

Это скромный прогресс, и штрихкод далек от совершенства. Тем не менее, свет уловил информацию об этих клетках, которую одни только гены не смогли обнаружить.

Также команда исследователей обнаружила, что возраст меняет функционирование клеток. В молодых тканях стареющие клетки использовали гены, связанные с восстановлением ДНК. В старых тканях они отдавали предпочтение генам, связанным с воспалением и выживанием.

Исследование связывает липидный сигнал со старением клеток, но не может доказать, что именно жиры вызывают эти изменения. Штрихкод отражает только образцы легких и кожи и еще нуждается в тестировании на других животных и при различных заболеваниях. Он построен на основе белка p21, поэтому отслеживает только один тип стареющих клеток, а не все.

Проблема также заключается в скорости. Кан сказал, что нынешняя система может получать изображения области размером всего около 0,04 дюйма (1 миллиметр) с каждой стороны, что затрудняет обнаружение достаточного количества таких редких клеток.

Его команда разрабатывает более быструю рамановскую систему, предназначенную для охвата областей, измеряемых в сантиметрах. Кан обозначил несколько проблем, которые необходимо преодолеть, прежде чем этот метод можно будет использовать на людях.

«Единого универсального признака старения не существует, и люди сильно различаются по возрасту, воздействию солнечного света, диете и принимаемым лекарствам, и все это может изменять химический состав тканей», — сказал он.

Если этот подход в конечном итоге окажется эффективным на живых людях, исследователи смогут получить способ отслеживать стареющие клетки с течением времени без необходимости многократного удаления тканей. Это может помочь ученым понять, как эти клетки способствуют старению и эффективны ли методы лечения, направленные на их уничтожение.