Last Updated on 08.07.2021 by admin
Понимание клеточного метаболизма – того, как клетка использует энергию – может стать ключом к лечению широкого спектра заболеваний, включая сосудистые заболевания и рак.
Хотя многие методы позволяют измерить эти процессы среди десятков тысяч клеток , исследователи не смогли измерить их на уровне отдельной клетки.
Исследователи из отдела молекулярной инженерии и биологических наук Притцкеровского университета Чикагского университета разработали комбинированный метод визуализации и машинного обучения, который впервые может измерять метаболический процесс как на клеточном, так и на субклеточном уровнях.
Используя генетически закодированный биосенсор в сочетании с искусственным интеллектом, исследователи смогли измерить гликолиз, процесс превращения глюкозы в энергию, отдельных эндотелиальных клеток , клеток, выстилающих кровеносные сосуды.
Они обнаружили, что, когда эти клетки движутся и сокращаются, они потребляют больше глюкозы, а также обнаружили, что клетки поглощают глюкозу через ранее неизвестный рецептор. Понимание этого процесса может привести к лучшему лечению рака и сосудистых заболеваний, включая COVID-19.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Metabolism , возглавил доц. Проф. Юнь Фанг и ассистент. Профессор Цзюнь Хуанг с бывшим докторантом, а теперь ассистентом. Профессор Дэвид Ву и аспирант по биофизическим наукам Девин Харрисон.
«Понимание клеточного метаболизма имеет универсальное значение», – сказал Хуанг. «Измеряя метаболизм одной клетки, у нас потенциально есть новый способ лечения широкого спектра заболеваний».
«Это первый раз, когда мы можем визуализировать клеточный метаболизм в различных временных и пространственных масштабах, даже на субклеточном уровне, что может коренным образом изменить язык и подход исследователей к изучению клеточного метаболизма», – сказал Фанг.
Измерение гликолиза
Эндотелиальные клетки обычно образуют плотный слой внутри кровеносных сосудов, но они могут сокращаться, оставляя зазоры в этом слое, когда им нужна помощь иммунной системы. Аномальное сокращение может вызвать протекание кровеносных сосудов, что приведет к сердечному приступу или инсульту. Такое сокращение кровеносных сосудов вокруг легких также может вызвать просачивание жидкости, что происходит в случае острого респираторного дистресс-синдрома. (Это часто происходит у пациентов с тяжелыми случаями COVID-19.)
Чтобы лучше понять, как клетки метаболизируют энергию, чтобы подпитывать это сокращение, исследователи обратились к датчикам передачи энергии резонанса Фёрстера – генетически закодированным биосенсорам, которые могут измерять количество лактата внутри клеток. Лактат – побочный продукт гликолиза.
Хотя исследователи не создавали датчики, объединив датчики с алгоритмами машинного обучения, они создали еще более мощный метод, который позволил им отображать клетки, анализировать данные и анализировать реакции гликолиза на клеточном и субклеточном уровнях.
«Теперь мы можем смотреть и понимать детали внутри клеток, например, определенные области клеток, где наблюдается усиление гликолиза», – сказал Фанг. «Это ключевая технологическая инновация».
Они смогли измерить, сколько глюкозы использовали клетки, когда они сокращались и двигались, а также обнаружили новый механизм транспорта глюкозы, опосредованный цитоскелетом клетки – рецептором под названием GLUT3, – который эти клетки используют для поглощения глюкозы.
Создание новых методов лечения
Понимание того, как гликолиз работает на клеточном уровне, может в конечном итоге привести к лечению, которое ингибирует этот процесс, когда оно приносит пользу – например, в случае протекающих кровеносных сосудов у пациентов с атеросклерозом. Это также может помочь пациентам, чья иммунная система, например, слишком остро реагирует на COVID-19, и которым требуется помощь в закрытии пробелов в эндотелиальных клетках вокруг легких.
«Если мы сможем найти способ подавить сокращение, мы сможем уменьшить острый респираторный дистресс-синдром у пациентов с COVID-19», – сказал Фанг.
Это также имеет важное значение при лечении рака. Миграция и пролиферация эндотелия, вызванные гликолизом, являются основными клеточными процессами, участвующими в росте сосудов, что необходимо для выживания и роста опухоли. Понимание того, как это работает, может помочь исследователям как уничтожать опухоли, так и подавлять их рост.
Загрузка...
