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利用非侵入性光学成像技术检测疾病早期分子特征

导读: 美国塔夫茨大学(Tufts University)的研究人员开发了一种非侵入性光学成像技术,可以检测这些变化,为新的研究和潜在的治疗研发提供早期的最佳时机。

据麦姆斯咨询报道,包括肥胖症、心血管疾病和癌症在内的慢性疾病通常始于细胞代谢的早期细微变化。美国塔夫茨大学(Tufts University)的研究人员开发了一种非侵入性光学成像技术,可以检测这些变化,为新的研究和潜在的治疗研发提供早期的最佳时机。

美国国家生物医学成像和生物工程研究所光学成像项目主任Behrouz Shabestari博士解释道:“在出现可见的疾病症状和损伤之前,疾病始于与新陈代谢有关的分子的变化,这会阻碍组织和细胞正常运作的能力,塔夫茨大学的这项工作是一种用于检测疾病早期分子特征的非常重要的创新方法。”

塔夫茨大学生物医学工程教授也是该项研究的首席研究员Irene Georgakoudi博士领导的实验室擅长利用光与运行细胞新陈代谢的关键分子相互作用。他们的方法可以随时间对这些关键分子的变化进行成像,而不会干扰或破坏细胞。

该小组使用了一种称为双光子激发荧光(TPEF)显微镜的技术来监测所有细胞中涉及多种代谢功能的两种分子的活性:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)。NADH和FAD都是细胞持续化学反应的关键组成部分,可以储存能量,然后在需要时释放能量来保持细胞的活力和功能。

利用非侵入性光学成像技术检测疾病早期分子特征

TPEF代谢成像检测到活心肌细胞中能量产生化学反应的破坏。左:正常细胞。右:用能够破坏能量生成的化学物质处理细胞,模仿与肥胖相关的细胞缺陷(来源:塔夫茨大学)

TPEF成像通过近红外激光束激发这些分子。由此产生的荧光信号提供了一种光学工具来监测细胞内功能障碍和疾病发作的生理和生化事件。

为了测试成像系统是否可以识别细胞代谢中的不规则现象,研究人员使用TPEF对改变了主要代谢过程的培养细胞进行成像,其中NADH和FAD具有关键作用。使用的活细胞包括心脏细胞、上皮细胞、干细胞和棕色脂肪(脂肪)细胞。通过在对NADH和FAD进行成像时改变代谢功能,他们确定了这两种分子的特定荧光模式的变化是否是细胞健康状况或功能的良好指标。

利用非侵入性光学成像技术检测疾病早期分子特征

棕色脂肪(脂肪)组织在室温下(左)或冷激活状态,阻碍了能量储存(右)(来源:塔夫茨大学)

细胞成像在不同实验条件下进行,如改变参与产生能量的正常代谢过程。测试条件的实例包括:葡萄糖饥饿状态下的细胞、低氧水平的生长细胞(因此能量产生效率低)以及将暴露在低温下的细胞(影响能量储存)。

在每个实验条件下,TPEF成像揭示了荧光的独特模式和强度分布,显示了NADH和FAD的某些化学形态或位置,可以作为了解细胞为什么不能正常运作的图谱。Georgakoudi说:“这些结果证明了这种非侵入性成像技术可用于鉴别可能是疾病发展早期迹象的不健康细胞,通过同时结合多种条件下的细胞成像和分析,我们能够在单细胞水平上看到代谢变化的存在以及它们的化学性质。”

细胞中产生的代谢变化与癌症、心血管疾病和肥胖症等疾病发生的变化类似。Georgakoudi说:“我们相信该技术最终将成为一个重要的新平台,用于在此过程中及早了解和检测这些疾病,TPEF也将成为监测代谢变化的宝贵工具,旨在成为缓解或阻止组织退化或损伤发作前的疾病的新疗法。”

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