Клетки-зомби под микроскопом: рамановский свет раскрывает тайны стареющих клеток

Ученые из Массачусетского технологического института разработали неинвазивный метод выявления стареющих клеток с помощью рамановской микроскопии и генного анализа. Исследование, опубликованное в журнале Nature Aging, показало, что стареющие клетки можно распознавать по уникальным биохимическим «штрих-кодам», связанным с накоплением липидов и изменениями в активности генов. Работа выполнена при поддержке Национальных институтов здравоохранения США и Массачусетской больницы общего профиля.

С возрастом в нашем организме накапливаются клетки, которые перестали делиться, но не погибли. Они получили название стареющих, или, как их иногда называют, «клеток-зомби». Эти клетки не просто существуют сами по себе — они выделяют вещества, которые могут провоцировать воспаление, повреждать соседние ткани и способствовать развитию таких заболеваний, как рак, диабет второго типа и остеоартроз.

Иммунная система должна уничтожать их, но с годами эта функция ослабевает, и «зомби» становятся все больше. Однако старение клеток  не только вредный процесс: оно важно для заживления ран и эмбрионального развития. Именно поэтому ученые хотят научиться точно находить такие клетки, не разрушая их, чтобы лучше понимать, когда и как вмешиваться в этот процесс.

До сих пор обнаружение стареющих клеток требовало их разрушения: приходилось использовать химические метки или секвенирование РНК, которые убивали клетку. Команда исследователей под руководством Питера Со, Чон Вун Кана, Цзянь Шу и их коллег пошла другим путем. Они объединили рамановскую микроскопию — метод, который светит на ткань слабым инфракрасным или видимым светом и по рассеянию определяет химический состав клеток, не причиняя им вреда, с пространственным секвенированием РНК.

Последнее позволяет увидеть, какие гены активны в разных участках ткани. Соединив эти два подхода, ученые получили объемную картину того, что происходит в стареющих клетках: какие белки и липиды в них накапливаются, как меняется их форма и обмен веществ.

Эксперименты проводились на тканях кожи и легких мышей двух возрастов — молодых (2 месяца) и пожилых (26 месяцев). Самым заметным изменением оказалось усиленное накопление липидов в стареющих клетках обеих тканей. Кроме того, в коже пожилых мышей ученые заметили сдвиги в работе генов, отвечающих за сокращение мышц и обновление коллагена, а в легких — повышенную активность генов, связанных с иммунным ответом и воспалением. Пока неясно, как именно эти изменения влияют на физиологию клеток, но они явно отличают старые клетки от молодых.

На основе этих данных исследователи выделили комбинации пиков рамановского спектра — по сути, химических отпечатков, которые соответствуют старению. Эти пики связаны с определенными липидами, белками и другими молекулами. Ученые назвали их «штрих-кодами» старения. Используя всего несколько наиболее информативных рамановских полос, можно будет быстро и без повреждений определять стареющие клетки в образце ткани. Сейчас анализ одного квадратного миллиметра ткани занимает около 30 часов, но исследователи работают над ускоренной версией системы, которая позволит обрабатывать более крупные образцы. В перспективе они мечтают о создании эндоскопа, способного заглянуть внутрь тела человека и выявить клеточное старение.

В результате исследования ученые впервые показали, что комбинация рамановской микроскопии и пространственного анализа генов позволяет неинвазивно находить стареющие клетки по их уникальному биохимическому «штрих-коду». Это открывает путь к новым методам диагностики и лечения возрастных заболеваний, связанных с накоплением «клеток-зомби», и может привести к созданию эндоскопических устройств для раннего выявления старения тканей прямо в организме человека.