Методика NIST измеряет изменения внутреннего окислительно-восстановительного (окислительно-восстановительного) потенциала живой клетки, химическая концепция, которая выражает благоприятность реакций, в которых молекулы или атомы либо приобретают, либо теряют электроны. Редокс-реакции важны для клеточной химии, потому что они регулируют многие гены и производимые ими белки. Точная оценка окислительно-восстановительного потенциала может дать представление о том, насколько хорошо работают эти гены, и, в свою очередь, о том, нормально ли функционируют контролируемые ими действия, такие как дифференциация и рост.
Чтобы оценить это, ученые обычно измеряют уровни как восстановленной (добавлены электроны), так и окисленной (потеря электронов) форм глутатиона, пептида, который клетка использует в качестве антиоксиданта. Глутатион в клетках находится преимущественно в восстановленном состоянии, известном как GSH, но некоторые превращаются в окисленную форму, известную как GSSG.
Высокое количество GSSG указывает на то, что клетка подверглась окислительному стрессу, процессу, который, как считается, способствует старению, разрушению, сбоям в работе (например, раку) и, в конечном итоге, смерти клетки.
К сожалению, традиционные методы получения этих данных сродни вскрытию. Единственный способ измерить относительное количество GSH и GSSG в клетке — это разорвать ее мембрану — убить ее — и затем исследовать высвободившееся содержимое.
Команда NIST разработала способ измерения уровней GSH и GSSG в живых клетках в режиме реального времени с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), метода, который отображает отдельные молекулы, аналогично тому, как врачи используют магнитно-резонансную томографию (МРТ) для неинвазивного просмотра органов. «В последние годы было показано, что ЯМР является мощным инструментом для изучения метаболитов, поскольку они действуют в живых клетках, поэтому мы сочли, что он может хорошо работать как неинвазивный способ сделать то же самое для GSH и GSSG», — говорит химик-исследователь NIST Витас Рейпа.
В своем экспериментальном эксперименте исследователи NIST вырастили мутантный штамм дрожжевых клеток, которые не могли производить собственный глутатион в среде, содержащей пептид, меченный изотопом азота. Это гарантировало, что единственный доступный в клетках глутатион будет обнаруживаться с помощью ЯМР во время его преобразования из GSH в GSSG.
Уровни GSH и GSSG измеряли с помощью ЯМР как для клеток в состоянии покоя, так и в условиях окислительного стресса, а затем использовали для расчета изменяющихся внутриклеточных окислительно-восстановительных потенциалов с течением времени. Результаты впервые показали, что окислительно-восстановительный потенциал может служить индикатором того, как клетки функционируют в ответ на окисление в реальном времени.
«Мы знаем, что когда окисление склоняет баланс к слишком большому количеству GSSG, мы получаем, что окислительно-восстановительный потенциал смещается в более положительную сторону, чем должен быть», — объясняет Рейпа. "Здоровая клетка компенсирует это, обращая процесс вспять, и когда это происходит, окислительно-восстановительный потенциал возвращается к исходному значению. Больная ячейка, с другой стороны, не компенсирует, и значение остается положительным.
Таким образом, точное измерение окислительно-восстановительного потенциала внутри клетки может однажды помочь нам определить, насколько хорошо клетки могут восстанавливаться после окислительного стресса, и, как следствие, дать нам картину общего состояния здоровья клетки."
В настоящее время исследователи NIST изучают другие пептиды, обнаруживаемые с помощью ЯМР, участвующие в процессах восстановления и окисления, чтобы провести исследования с клетками млекопитающих.