Cercetătorii MIT au dezvoltat o metodă noninvazivă pentru identificarea celulelor senescente
Pe măsură ce înaintăm în vârstă, unele celule din organism intră într-o stare de senescență, în care încetează să se dividă, dar nu mor.
Aceste celule senescente pot contribui la afecțiuni legate de vârstnicie, cum ar fi cancerul, degenerarea țesuturilor și bolile inflamatorii.
Într-o descoperire care ar putea conduce la metode mai bune de diagnosticare și tratament pentru aceste boli, cercetătorii de la MIT au dezvoltat o modalitate noninvazivă de a detecta biomarkerii senescenței. Metoda lor se bazează pe microscopie Raman, care poate revela compoziția biochimică a celulelor fără a le afecta.
Prin combinarea microscopiei Raman cu datele de exprimare genică la rezoluție de celulă unică din aceleași celule, cercetătorii au reușit să identifice „coduri de bare” unice care pot fi folosite pentru a identifica rapid celulele senescente. Studiul a fost realizat pe celule de șoarece, iar cercetătorii lucrează acum la adaptarea acestei metode pentru utilizarea cu țesut uman.
„Poți imagina că într-o zi vom dezvolta un endoscop care va putea privi în interiorul corpului tău și va identifica senescența celulară”, afirmă Jeon Woong Kang, cercetător la MIT și unul dintre autorii seniori ai studiului.
Cercetarea face parte dintr-o inițiativă a Institutelor Naționale de Sănătate numită Rețeaua de Senescență Celulară, care urmărește o înțelegere mai profundă a senescenței în speranța dezvoltării unor terapii care ar putea combate efectele dăunătoare ale celulelor senescente.
Peter So, director al Centrului de Cercetare Biomedicală cu Laseruri de la MIT și profesor de inginerie biologică și inginerie mecanică, și Jian Shu, profesor asistent la Massachusetts General Hospital și la Harvard Medical School, sunt, de asemenea, autori seniori ai lucrării care a fost publicată astăzi în Nature Aging. Autorii principali ai lucrării sunt Ke Zhang, instructor la MGH și Harvard Medical School; Xingjian Chen, postdoctorand la MGH și Harvard Medical School; Francesco Monticolo, postdoctorand la MGH și Harvard Medical School; și Salvatore Sorrentino, postdoctorand la MIT.
Senescența celulară este adesea declanșată de daune ADN, ceea ce duce la o oprire ireversibilă a ciclului celular. Aceste celule nu mor, dar suferă modificări semnificative în ceea ce privește forma, procesele metabolice și profilurile de exprimare genică.
Imunitatea este responsabilă pentru eliminarea acestor „celule zombie”, dar pe măsură ce oamenii îmbătrânesc, acest proces devine mai puțin eficient. Când celulele senescente se acumulează, ele pot contribui la aspectul lăsat al pielii, slăbirea musculară și afecțiuni cronice precum osteoartrita și diabetul de tip 2.
Senescența celulară are și efecte benefice, jucând roluri esențiale în dezvoltarea embrionară și regenerarea țesuturilor.
„Senescența nu este doar o condiție patologică”, afirmă So. „Ideea din spatele Rețelei de Senescență Celulară a NIH este de a adopta o abordare foarte cuprinzătoare pentru a înțelege senescența și a identifica celulele senescente, deoarece aceasta joacă un rol în atât de multe condiții fiziologice normale cât și patologice.”
Cercetătorii au identificat deja câțiva biomarkeri pentru senescență, inclusiv două proteine numite p16 și p21, care sunt implicate în oprirea ciclului celular. Totuși, aceste proteine pot fi identificate doar printr-un proces care duce la distrugerea celulelor.
Echipa de la MIT a dorit să găsească o modalitate de a identifica noninvaziv celulele senescente folosind microscopie Raman. Spre deosebire de secvențierea ARN, care consumă celulele în timpul analizei, microscopie Raman este o tehnică nedistructivă care dezvăluie compoziția chimică a țesuturilor sau celulelor prin iluminarea acestora cu lumină infraroșie sau vizibilă.
În noul studiu, cercetătorii au folosit microscopie Raman împreună cu secvențierea spatială a ARN-ului – o tehnică care arată unde sunt active genele într-un țesut – pentru a identifica noi markeri ai senescenței. Prin combinarea acestor două tehnici, au reușit să genereze o imagine mult mai amplă a caracteristicilor distinctive ale celulelor senescente, inclusiv nivelurile de exprimare genică, locația spațială și alte informații biochimice.
„Ideea noastră a fost să examinăm multe caracteristici diferite pentru a caracteriza senescența. De aceea am dorit să combinăm atât exprimarea genică la nivel de celulă unică, cât și microscopie Raman, astfel încât să putem caracteriza senescența din două perspective complementare”, afirmă Shu.
Folosind ambele metode de analiză, cercetătorii au examinat țesutul cutanat și pulmonar de la șoareci de 2 luni și de 26 luni.
Una dintre cele mai dramatice schimbări observate atât în celulele pulmonare, cât și în cele cutanate a fost o creștere a sintezei lipidelor în celulele mai în vârstă, alături de acumularea de lipide. Cum afectează acest lucru fiziologia celulelor nu este încă cunoscut, afirmă cercetătorii.
De asemenea, cercetătorii au descoperit unele efecte specifice fiecărui tip de țesut. În celulele cutanate senescente, au descoperit că căile celulare asociate cu contracția musculară și remodelarea colagenului și a matricei extracelulare au fost semnificativ afectate. Iar în țesutul pulmonar îmbătrânit, au observat o activitate crescută a genelor implicate în activarea imunității și inflamație.
În lucrările viitoare, cercetătorii speră să studieze în continuare ce rol joacă aceste schimbări în celulele senescente.
Folosind aceste date, cercetătorii au putut identifica combinații de vârfuri Raman care corelează cu senescența. Aceste vârfuri, care reprezintă legături chimice specifice, sunt legate de prezența anumitor lipide, proteine sau alte molecule.
„Combinând cele mai importante caracteristici Raman cu cele mai importante semnături genice, am reușit să creăm un cod de bare care ne poate ajuta să identificăm celulele senescente într-un mod mai obiectiv”, afirmă Sorrentino. „Folosind acest cod de bare, putem să ne concentrăm pe câteva benzi Raman care au apărut ca fiind cele mai informative în această lucrare.”
Folosind aceste benzi, ar putea fi posibil să identificăm celulele senescente căutând doar acele benzi din spectrul Raman. Acest lucru ar putea ajuta la dezvoltarea unor diagnostice care să detecteze celulele care au devenit senescente.
Pentru a facilita acest lucru, cercetătorii lucrează acum la o versiune de viteză mai mare a sistemului lor de imagistică Raman. În prezent, durează aproximativ 30 de ore pentru a analiza un eșantion de țesut de aproximativ un milimetru pătrat, dar speră să dezvolte un sistem care să poată pick-up rapid codurile de bare Raman identificate din eșantioane mai mari.
