Metabolische veranderingen in cellen kunnen optreden in de vroegste stadia van de ziekte. In de meeste gevallen, kennis van die signalen is beperkt, omdat we ziekte meestal pas detecteren nadat ze aanzienlijke schade heeft aangericht. Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van ingenieurs aan de Tufts University School of Engineering heeft een venster naar de cel geopend door een optisch hulpmiddel te ontwikkelen dat het metabolisme kan lezen met subcellulaire resolutie, zonder cellen te hoeven storen met contrastmiddelen, of vernietig ze om tests uit te voeren. Zoals vandaag gemeld in wetenschappelijke vooruitgang , de onderzoekers konden de methode gebruiken om specifieke metabole handtekeningen te identificeren die kunnen optreden bij diabetes, kanker, cardiovasculaire en neurodegeneratieve ziekten.

De methode is gebaseerd op de fluorescentie van twee belangrijke co-enzymen (biomoleculen die samenwerken met enzymen) wanneer ze worden geëxciteerd door een laserstraal. De co-enzymen - nicotinamide-adenine-dinucleotide (NADH) en flavine-adenine-dinucleotide (FAD) - zijn betrokken bij een groot aantal metabole routes in elke cel. Om de specifieke metabole routes te achterhalen die worden beïnvloed door ziekte of stress, de Tufts-wetenschappers keken naar drie parameters:de verhouding van FAD tot NADH, de fluorescentie "fade" van NADH, en de organisatie van de mitochondriën zoals onthuld door de ruimtelijke verdeling van NADH in een cel (de energieproducerende "batterijen" van de cel).

De eerste parameter - de relatieve hoeveelheden FAD tot NADH - kan onthullen hoe goed de cel zuurstof verbruikt, metaboliserende suikers, of het produceren of afbreken van vetmoleculen. De tweede parameter - de fluorescentie "fade" van NADH - onthult details over de lokale omgeving van de NADH. De derde parameter - de ruimtelijke verdeling van NADH in de cellen - laat zien hoe de mitochondriën zich splitsen en samensmelten als reactie op celgroei en stress.

"Bij elkaar genomen, deze drie parameters beginnen meer specifiek te bieden, en unieke metabole kenmerken van cellulaire gezondheid of disfunctie, " zei Irene Georgakoudi, doctoraat, corresponderende auteur van de studie en een professor in biomedische technologie aan de School of Engineering in Tufts. "De kracht van deze methode is de mogelijkheid om de informatie over levende cellen te krijgen, zonder het gebruik van contrastmiddelen of aangehechte labels die de resultaten kunnen verstoren."

Er bestaan ​​andere methoden voor het niet-invasief volgen van de metabole kenmerken van ziekten, zoals de PET-scan, die vaak in onderzoek wordt gebruikt. Maar hoewel PET-scans informatie met een lage resolutie bieden met een uitstekende dieptepenetratie in levende weefsels, de optische methode geïntroduceerd door de Tufts-onderzoekers detecteert metabolische activiteit bij de resolutie van afzonderlijke cellen, hoewel meestal aan de oppervlakte.

Dat hoeft niet per se een beperking te zijn. Veel ziekten kunnen worden gedetecteerd aan het oppervlak van weefsels, inclusief kanker, terwijl veel preklinische onderzoeken worden uitgevoerd met diermodellen en gemanipuleerde driedimensionale weefsels die baat kunnen hebben bij niet-destructieve monitoring. De methode die is ontwikkeld door Georgakoudi en collega's kan een krachtig onderzoeksinstrument blijken te zijn om hun metabolische handtekeningen te begrijpen.