Metaboliska förändringar i celler kan inträffa i de tidigaste stadierna av sjukdomen. I de flesta fallen, kunskapen om dessa signaler är begränsad, eftersom vi vanligtvis upptäcker sjukdom först efter att den har gjort betydande skada. Nu, ett team ledd av ingenjörer vid Tufts University School of Engineering har öppnat ett fönster in i cellen genom att utveckla ett optiskt verktyg som kan läsa av metabolism i subcellulär upplösning, utan att behöva störa celler med kontrastmedel, eller förstöra dem för att utföra analyser. Som rapporterats idag i Vetenskapens framsteg , forskarna kunde använda metoden för att identifiera specifika metaboliska signaturer som kan uppstå vid diabetes, cancer, kardiovaskulära och neurodegenerativa sjukdomar.

Metoden är baserad på fluorescensen av två viktiga coenzymer (biomolekyler som arbetar tillsammans med enzymer) när de exciteras av en laserstråle. Koenzymerna - nikotinamidadenindinukleotid (NADH) och flavinadenindinukleotid (FAD) - är involverade i ett stort antal metaboliska vägar i varje cell. För att ta reda på de specifika metabola vägar som påverkas av sjukdom eller stress, Tufts-forskarna tittade på tre parametrar:förhållandet mellan FAD och NADH, fluorescensen "bleknar" av NADH, och organiseringen av mitokondrierna som avslöjas av den rumsliga fördelningen av NADH inom en cell (cellens energiproducerande "batterier").

Den första parametern – de relativa mängderna FAD till NADH – kan avslöja hur väl cellen förbrukar syre, metabolisera sockerarter, eller producera eller bryta ner fettmolekyler. Den andra parametern - fluorescensen "bleknar" av NADH - avslöjar detaljer om den lokala miljön för NADH. Den tredje parametern – den rumsliga fördelningen av NADH i cellerna – visar hur mitokondrierna splittras och smälter samman som svar på celltillväxt och stress.

"Tagen tillsammans, dessa tre parametrar börjar ge mer specifika, och unika metaboliska signaturer av cellulär hälsa eller dysfunktion, sa Irene Georgakoudi, Ph.D., motsvarande författare till studien och professor i biomedicinsk teknik vid Ingenjörshögskolan vid Tufts. "Kraften med denna metod är förmågan att få information om levande celler, utan användning av kontrastmedel eller fästa etiketter som kan störa resultatet."

Det finns andra metoder för att icke-invasivt spåra sjukdomens metaboliska signaturer, såsom PET-skanningen, som ofta används i forskning. Men medan PET-skanningar ger lågupplöst information med utmärkt djuppenetrering i levande vävnader, den optiska metoden som introducerades av Tufts-forskarna detekterar metabolisk aktivitet vid upplösningen av enstaka celler, fastän mest nära ytan.

Det är inte nödvändigtvis en begränsning. Många sjukdomar kan upptäckas på ytan av vävnader, inklusive cancer, medan många prekliniska studier utförs med djurmodeller och konstruerade tredimensionella vävnader som kan dra nytta av att övervakas oförstörande. Metoden som utvecklats av Georgakoudi och kollegor kan visa sig vara ett kraftfullt forskningsverktyg för att förstå deras metaboliska signaturer.