Когда ученые из МГУ имени М.В. Ломоносова изучали источники излучения в тканях человеческого организма, они определили, что продукты окисления клеток могут излучать свет в красном спектре в ответ на облучение. Зная все источники излучения и характеристики сигнала, можно более точно определять границы опухолей и степень старения клеток. Исследование поддержано Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ), результаты работы опубликованы в журнале Molecules.

Для анализа биологических тканей часто используется метод флуоресцентной диагностики. Его суть заключается в том, что на ткань подают свет с определенной длиной волны, он приводит находящиеся в молекулах-флуорофорах электроны в возбужденное состояние. Однако это состояние неустойчиво, и электроны быстро возвращаются на свой исходный энергетический уровень, а энергия, полученная при этом переходе, превращается в свет (флуоресценцию). В красном спектре собственная флуоресценция тканей и клеток минимальна, но именно она может быть маркером опухолей и старения клеток. Зная, с какой силой и сколько по времени они излучают свет, можно, например, определить границы опухоли. В то же время природа красной флуоресценции остается неизвестной.

Существует гипотеза, что источником флуоресценции могут быть продукты окисления белков, липидов, ДНК и аминокислот. Они образуются под действием свободных радикалов кислорода, которые притягивают к себе электроны молекул в клетках, в результате чего изменяется их структура и состав. Так, в процессе окисления в клетках накапливается, например, липофусцин — так называемый «пигмент старения» — чем больше его в клетке, тем сильнее излучение. Разница в уровне окислительных процессов позволяет определять границы раковой опухоли. Так же излучение способно повлиять на результаты анализа старения клеток.

Красная автофлуоресценция клеток, вызванная оки...

Красная автофлуоресценция клеток, вызванная окислительным стрессом. Изображение получено с помощью конфокальной микроскопии. Источник: Евгений Ширшин

Чтобы доказать, что продукты окисления могут испускать свет в красном спектре после облучения, ученые сначала подвергали водные растворы белков и ДНК фотоокислению, после чего измеряли оптические свойства полученных образцов. Сигнал, исходящий от необлученных образцов, был почти незаметен, в то время как окисленные молекулы флуоресцировали в широком диапазоне длин волн возбуждения, включая красный свет.

На втором этапе исследования были изучены качественные характеристики флуоресценции продуктов окисления в кератиноцитах — клетках человеческой кожи. На них подавали ультрафиолетовое излучение с длиной волны 254 нанометра. Сразу после этого изменений не наблюдалось, однако интенсивность излучения увеличилась спустя 5-15 часов в зависимости от силы возбуждающего света. Кератиноциты были взяты для исследования, так как верхний слой кожного покрова состоит из них на 90%, и под воздействием ультрафиолетового излучения в коже образуется большое количество свободных радикалов, усиливающих процесс окисления. Флуоресценция клеток, в которых происходит окислительный стресс, может перекрывать фоновый сигнал биологических тканей.

Синяя, зеленая и красная флуоресценция. Источни...

Синяя, зеленая и красная флуоресценция. Источник: Евгений Ширшин

«Концентрация аминокислот, липидов, белков и других компонентов в клетках и тканях человеческого организма выше, чем в использованных нами растворах. Поэтому при анализе биологических тканей сигнал, исходящий от продуктов окисления, будет сильнее. Их флуоресценция может обеспечивать определенный вклад в результирующий сигнал, особенно в красной области спектров, где влияние других собственных флуорофоров мало», — отмечает руководитель проекта по гранту РНФ Евгений Ширшин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

FLIM-микроскопия продуктов окисления при красно...

FLIM-микроскопия продуктов окисления при красном возбуждении. Источник: Евгений Ширшин

Сейчас ученые занимаются изучением причин флуоресценции в гетерогенных смесях флуорофоров, являющихся продуктами окисления. Полученные в этом исследовании данные внесли вклад в изучение природы излучения в красном спектре и могут быть использованы для более точной интерпретации результатов медицинских исследований и определения источников излучения в биологических тканях.

Лабораторные исследования были проведены при поддержке Национального медицинского научно-исследовательского центра онкологии имени Н.Н. Блохина и Сколковского института науки и технологий.