Ученые Новосибирского государственного университета совместно с коллегами из Научно-исследовательского института клинической и экспериментальной лимфологии (НИИКЭЛ-филиал Института цитологии и генетики СО РАН, ИЦиГ СО РАН), Института цитологии и генетики СО РАН (ИЦиГ СО РАН) и Института ядерной физики им. Г. И. Будкера (ИЯФ СО РАН) установили, что терагерцовое излучение влияет на энергетический метаболизм клеток меланомы. С этой целью им были проведены эксперименты по исследованию воздействия данного вида электромагнитного излучения на клетки меланомы человека. Данная работа имеет фундаментальный характер и расширяют представление о биологических эффектах терагерцового излучения, а также клеточных реакций на его воздействие. Результаты опубликованы в журнале «Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Molecular and Cell Biology of Lipids».
Терагерцевое излучение (ТГцИ) — это электромагнитные волны, частота которых лежит между инфракрасным и сверхвысокочастотным (СВЧ) диапазонами: от 100 ГГц до 10 ТГц. Современные технологии, основанные на использовании электромагнитных волн терагерцевого диапазона, широко применяются в биомедицинских науках. Например, терагерцевая спектроскопия может быть актуальна в медицинской практике для диагностики онкологических заболеваний. В то же время ТГц-область изучена не полностью, поэтому фундаментальные исследования излучения данного электромагнитного спектра и в первую очередь изучение его биологических эффектов на живые системы являются актуальными.
— Наша работа посвящена изучению фундаментальных механизмов воздействия неионизирующего излучения на биологические объекты, в данном случае – на клетки меланомы человека. Однако целью исследования не является разработка методов лечения с использованием терагерцевого излучения. В качестве модели мы выбрали клеточную линию меланомы, поскольку она является стабильной и хорошо изученной системой. Это позволяет минимизировать влияние побочных факторов и быть уверенными, что наблюдаемые изменения связаны именно с воздействием ТГц-излучения, а не с особенностями жизнедеятельности клеток, — прокомментировала аспирант 1 курса Факультета естественных наук НГУ (направление «биология»), младший научный сотрудник лаборатории клеточных технологий НИИКЭЛ-филиал ИЦиГ СО РАН Екатерина Бутикова.
Проводились данные исследования на Новосибирском лазере на свободных электронах (НЛСЭ) ИЯФ СО РАН. Только на этой установке возможна генерация излучения с необходимыми для данных экспериментов параметрами: частота применяемого излучения составила 2.3 ТГц, а средняя интенсивность — 0.05 Вт/см2. Специалисты воздействовали ТГцИ на выращенные в культуральных флаконах клетки меланомы человека. Облучение на частоте излучения 2.3 ТГц проводилось на пользовательской станции Новосибирского лазера на свободных электронах.
— Новосибирский ЛСЭ является уникальным источником терагерцевого и инфракрасного излучения. По средней мощности он на много порядков превышает любые существующие в мире источники, что позволяет проводить абсолютно уникальные эксперименты в очень широкой области длин волн с различными биологическими объектами. Дело в том, что у биополимеров, таких как белки, существует четыре пространственных уровня организации. Если первичная структура определяется ковалентными связями, то вторичная, третичная и высшая определяются водородными связями, энергия которых лежит как раз в области ТГц-излучения. Поэтому если мы воздействуем ТГцИ на живые системы, то можем довольно сильно влиять на работу их клеток, на процессы, проходящие внутри них. Такие эксперименты представляют интерес с той точки зрения, что ни у одного живого организма не сформировано никаких защитных механизмов от ТГц-излучения, так как оно полностью поглощается атмосферой, а значит, воздействуя им на биологические объекты, можно исследовать, каким образом они приспособляются, какие механизмы защиты включают. Для подобных биологических экспериментов на НЛСЭ была создана специальная пользовательская станция, на которой реализована технология регулировки средней и пиковой мощности излучения, а также интенсивности воздействия. Так как мы работаем с живыми системами, которые комфортно себя чувствуют в очень узком температурном диапазоне, немаловажным для чистоты экспериментов было оборудовать станцию обтюратором и тепловизором – эти устройства поддерживают и контролируют нужную температуру. Благодаря этому мы понимаем, что получаем реакцию системы именно на воздействие облучения, а не на повышение или понижение температуры, – пояснил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Василий Попик.
В эксперименте участвовали три группы клеток. Одну облучали терагерцевым излучением, вторую – инфракрасным излучением (ИК), третья была контрольная, и на нее не оказывалось никакого воздействия. Группы ТГц и ИК облучали по 10 и 45 минут. В день облучения специалисты проводили цитотоксические тесты клеток. На третьи сутки проводили метаболомный скрининг – анализ метаболитов, или органических молекул, участвующих в обмене веществ.
— Метаболиты – это малые органические молекулы, которые участвуют в обмене веществ в живых организмах. Они могут быть промежуточными или конечными продуктами биохимических реакций, обеспечивать клетки энергией, служить строительным материалом для клеток или выполнять регуляторные функции. В ходе сложных биохимических превращений одни вещества синтезируются, другие разрушаются, обеспечивая энергетический баланс, биосинтез и регуляцию клеточных функций. Для исследования биохимического состояния клеток и тканей одним из наиболее эффективных инструментов является метаболомный скрининг. Он позволяет зафиксировать изменения в метаболическом составе организма, связанные с физиологическими процессами, заболеваниями или внешними воздействиями. Анализ широкого спектра метаболитов помогает заглянуть в молекулярный мир клетки и понять, как она функционирует. В нашей лаборатории мы проводим метаболомный скрининг методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с тандемной масс-спектрометрической детекцией (ВЭЖХ-МС/МС). Два года назад мы разработали подход, позволяющий анализировать около 400 метаболитов (включая как полярные соединения, так и липиды) менее чем за 30 минут анализа. Это стало возможным благодаря использованию монолитной колонки для ВЭЖХ, созданной сотрудниками Института катализа СО РАН Ю.С. Сотниковой и Ю.В. Патрушевым, — рассказал лаборант-исследователь Лаборатории молекулярной патологии Института медицины и медицинских технологий НГУ, младший научный сотрудник Лаборатории физиологически активных веществ Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН (НИОХ СО РАН) Никита Басов.
Ранее ученые применяли свой подход к метаболомному скринингу для анализа плазмы крови и сухих пятен крови, но его использование для исследования клеточных культур оставалось неизученным. В рамках данной работы они разработали и протестировали протокол пробоподготовки клеток, оценили его ограничения, а также впервые объединили его с аналитической методикой для изучения воздействия терагерцевого излучения на клетки меланомы.
Благодаря данным метаболомного скрининга и использованию биоинформатических инструментов группа ученых пришла к выводу, что терагерцевое излучение влияет в первую очередь на энергетический метаболизм клетки. Для этого применялся инструмент ANDSystem – автоматизированная система, объединяющая данные из многочисленных биологических баз данных и научных публикаций, позволяя выявлять функциональные связи между генами, белками и метаболическими путями.
— Наши исследования показывают, что ТГц-излучение вызвало изменения в содержании 40 метаболитов, главным образом в путях пуринового и пиримидинового обмена, а также оно влияет на уровень церамидов и фосфатидилхолинов. Анализ генетических сетей, проводившийся нашими коллегами из Лаборатории компьютерной протеомики ИЦиГ СО РАН, выявил митохондриальные мембранные белки как ключевые регуляторы биосинтеза этих метаболитов. Кроме того, ТГц-излучение, по-видимому, нарушает структуру липидных рафтов, что влияет на митохондриальный транспорт, но при этом не затрагивает целостность белков. Метаболические эффекты были специфичны для ТГцИ и отличались от теплового воздействия, наблюдаемого при инфракрасном излучении, – добавила Екатерина Бутикова.
