Российские ученые разработали метод диагностики повреждения сердечной ткани в режиме реального времени
Коллектив исследователей Института биофизики будущего МФТИ и ИТМО разработал новый оптический метод выявления метаболических нарушений в живой сердечной ткани, вызванные недостатком кислорода (ишемией). Результаты исследования позволят значительно повысить точность оценки жизнеспособности донорских сердец и мониторинг состояния пациента во время длительных операций на открытом сердце.
Нарушения в клеточном энергетическом обмене и окислительно-восстановительном балансе являются признаками многочисленных хронических заболеваний, включая рак, диабет, нейродегенеративные и сердечно-сосудистые заболевания. Эти нарушения проявляются в том числе в тканевых и субклеточных особенностях организма, что требует для их выявления высокоточных методов оценки метаболической активности.
Одна из многообещающих стратегий — визуализация молекулы NADH (никотинамидадениндинуклеотида) — ключевого переносчика электронов, обладающего автофлуоресценцией в видимом диапазоне света. Благодаря активному участию NADH в клеточных биохимических процессах его считают маркером недостаточного снабжения тканей кислородом, позволяющим различать изменения в органах.
Этот подход, основанный на анализе свечения молекулы энергии NADH, впервые позволил создать карты ишемического повреждения, устойчивые к главным помехам биологических образцов — рассеянию и поглощению света.
«Мониторинг состояния тканей с помощью флуоресценции молекул NADH существует давно, но он подходил только для лабораторных экспериментов, где изменения состояния отслеживаются относительно референсного эксперимента (например с сильным дисбалансом потребления и поступления энергии), что недопустимо в реальной медицинской практике с донорскими органами. Мы уже использовали естественную флюоресцентность NADH в наших предыдущих исследованиях. Это позволило установить, насколько такая флюоресцентная метка может дать точную информацию о состоянии ткани. В этом исследовании мы углубили свой поиск и изучили возможности использования NADH не только на культуре клеток, но и на самом сердце. Это позволит приблизить многообещающий метод к клинической практике и сразу перейти к анализу состояния органа без дополнительных замеров и экспериментов с ним», — рассказал первый автор исследования, старший научный сотрудник лаборатории экспериментальной и клеточной медицины МФТИ Михаил Слотвицкий.
В последнее время интерес научного сообщества привлекает еще одно полезное свойство NADH. Сердце перекачивает кровь постоянно, и эта работа целиком зависит от бесперебойного снабжения энергией. Энергию сердечные клетки миокарда производят в электростанциях организма — митохондриях, где ключевую роль играют молекулы — переносчики электронов, такие как NADH и его окисленная форма NAD+. Соотношение NAD+/NADH и является одним из самых чувствительных индикаторов клеточного здоровья. Смещение в сторону NADH сигнализирует о «кислородном голоде», то есть ишемии.
«В ходе исследования мы обратили внимание на то, что сам процесс наблюдения за NADH в ходе ее облучения ультрафиолетом не является пассивным. Под действием света молекула NADH разрушается (фотолизуется), превращаясь в NAD+. Таким образом, в системе запускаются два противоположно направленных биохимических процесса: естественный, восстанавливающий NAD+ обратно в NADH (за который отвечает фермент глутаматдегидрогеназа, GDH), и искусственный, вызываемый светом процесс окисления NADH. Мы предположили, что это конкурентное взаимодействие приведет к установлению особого конкурирующего полуравновесия. При этом форма кривой затухания свечения NADH при постоянном облучении должна нести уникальную «подпись». Она связана с тремя ключевыми параметрами этого взаимодействия: скоростью фотолиза, активностью фермента GDH и исходным соотношением NAD+/NADH», — пояснил Михаил Слотвицкий.
Сначала исследователи построили математическую модель, которая подтвердила, что такая однозначная связь действительно существует, и превратили главный недостаток долговременной NADH-визуализации — фотообесцвечивание — в источник ценнейшей информации.
Для экспериментальной проверки авторы использовали изолированные сердца крыс, перфузируемые по методу Лангендорфа. Сердце останавливали кардиоплегическим раствором, чтобы исключить движение, и облучали короткими импульсами УФ-света с разной мощностью, одновременно регистрируя свечение NADH высокоскоростной камерой.
«Что нам дал эксперимент непосредственно с сердцем? Само сердце дает постоянный источник информации о метаболическом состоянии ткани, находится ли в балансе поступление и потребление энергии. Для его анализа используют электрофизиологические методы, но при кардиоплегической остановке сердца (при длительных операциях или при перевозке донорского сердца) они недоступны, и тут поможет такое метаболическое картирование. В идеале с помощью нашей работы можно будет оценивать состояние сердца при длительной перевозке и для каждого конкретного органа предсказывать его пригодность к пересадке на данный момент. В целом метод будет применим и на других органах с высоким потреблением кислорода», — подытожил ученый.
Практическое значение работы лежит в первую очередь в области кардиохирургии и трансплантологии. Кроме оценки донорских органов, метод может быть интегрирован в системы мониторинга во время длительных операций с искусственным кровообращением, позволяя в реальном времени отслеживать возникновение ишемии в различных отделах сердца.