Флуоресцентные зонды позволяют визуализировать обмен глюкозы в живых организмах

Исследователи из Университета Бата разработали флуоресцентные молекулярные зонды, способные обнаруживать изменения уровня глюкозы в живых животных и визуализировать поглощение сахара в режиме реального времени, что открывает новые возможности для изучения диабета, рака и других метаболических заболеваний на уровне целого организма.

Наблюдение за сахаром в действии

Углеводы, в частности глюкоза, критически важны для энергетического обмена и играют ключевую роль при диабете, однако их мониторинг внутри живых тканей остаётся серьёзной экспериментальной задачей.

Междисциплинарный подход Команда соединила в зондаx химические группы на основе бороновой кислоты, избирательно связывающие сахара, с современными методами оптической визуализации, чтобы видеть молекулярное поведение в живых системах.

В экспериментах зонды регистрировали изменения уровня глюкозы как в культивируемых клетках, так и в живых личинках рыбок данио.

«Наша работа показывает, что синтетические углеводораспознающие зонды могут отслеживать процессы, связанные с глюкозой в живых организмах, в реальном времени», сказала профессор София И. Паску с химического факультета Университета Бата, один из авторов‑корреспондентов исследования. «Это важный шаг к инструментам следующего поколения для изучения метаболических нарушений и разработки более точных методов диагностики».

Исследователи сочетали зонды с многофотонной флуоресцентной микроскопией с измерением времени жизни флуоресценции (MP‑FLIM) — техникой, которая фиксирует не только яркость, но и то, как долго длится сигнал флуоресценции. Такое измерение позволило визуально сопоставить, какие клетки и ткани активно поглощают и используют сахар в живом организме.

Обнаружение повышенного уровня глюкозы в живых системах

Чтобы проверить работоспособность технологии in vivo, команда использовала рыбок данио — широко применяемую модель для метаболических исследований.

Некоторые зонды хорошо накапливались в пищеварительной системе личинок данио, и их флуоресценция изменялась в ответ на внешние воздействия глюкозы.

Исследователи также показали, что с помощью этой методики можно различить рыбок с дефицитом инсулина, несущих диабетоподобную мутацию, и здоровых особей.

Рыбы «с диабетом» демонстрировали заметно пониженную флуоресценцию, что связано с повышенным уровнем глюкозы и подтверждает способность зонда фиксировать изменения глюкозы в живом позвоночном организме.

Доктор Дэвид Гуревич, автор‑корреспондент и научный сотрудник по стипендии Sir Henry Dale (Wellcome Trust) на факультете наук о жизни Университета Бата, отметил: «Наши результаты показывают, что синтетические флуоресцентные зонды на основе бороновой кислоты могут отражать колебания глюкозы, вызванные как внешним поступлением сахара, так и нарушением инсулиновой регуляции в живом организме».

«Это даёт исследователям новый инструмент для связывания изменений уровня глюкозы с биологическими эффектами при метаболических и других заболеваниях».

Будущие применения в области диабета и рака

Команда подчёркивает, что платформу можно адаптировать для обнаружения других биологически значимых углеводов и метаболических маркёров. Поскольку аномальный углеводный обмен является характерной чертой диабета и многих видов рака, такие зонды могут в перспективе помочь в ранней диагностике, поиске лекарств и персонализации лечения.

«Объединив супрамолекулярную химию, передовую фотонику и биологические модели, мы создали универсальную платформу для визуализации метаболических процессов в реальном времени», — говорят авторы. Они также отмечают, что сейчас изучают возможности дальнейшего развития технологии для тераностических применений и инструментов скрининга лекарств.

Тони Д. Джеймс, профессор и соавтор из Университета Бата, входит в состав авторского коллектива.

Международное сотрудничество и научные достижения

Работа выполнена в рамках междисциплинарного и международного сотрудничества: в проекте участвовали биологи, физики и химики из Университета Бата, Университета Бирмингема, Автономного университета Мадрида, Испанского национального исследовательского совета (CSIC) и Лаборатории Резерфорда Эпплтона (STFC).

В коллективе был и покойный профессор Джон С. Фосси из Университета Бирмингема, признанный специалист в области химии бороновой кислоты и молекулярного распознавания; его вклад и сотрудничество помогли сформировать проект и ряд смежных исследований.

Публикация в журнале Advanced Science посвящена его научному наследию и подчёркивает влияние, которое он оказал на коллег, студентов и сотрудников в этой области.