Клеточное нанодвижение как новый индикатор жизни (аннотация)
Жизнь можно охарактеризовать, в частности, по способности организмов двигаться.
Недавно стало известно, что подавляющее большинство всех живых организмов на Земле совершают движения в нанометрическом масштабе. Эти наблюдения стали возможны благодаря использованию атомно-силовых микроскопов (АСМ), поскольку они являются очень чувствительными детекторами смещений и могут обнаруживать смещения вплоть до 0,1 Å. Этот прибор впервые показал, что клеточные нанодвижения длятся до тех пор, пока организм жив, и прекращаются после его смерти.
Открытие клеточных нанодвижений позволяет разработать экспресс-тесты на чувствительность к антибиотикам, противогрибковым и антимитотическим препаратам без меток. Методика заключается в прикреплении клеток к АСМ-консоли, воздействии на них различными антимикробными, противогрибковыми или антимитотическими препаратами и наблюдении за колебаниями консоли с течением времени. Клеточная наномоторика не только показывает состояние жизни или смерти микроорганизмов, но и дает представление об их метаболизме и, в некоторых случаях, вирулентности.
Клеточные нанодвижения можно обнаружить и другими методами, например с помощью нанобарабанов, плазмонных изображений, фазового шума резонансного кристалла, микроскопии полного внутреннего отражения (TIRM), спектроскопии внутреннего фазового сдвига или базового оптического микроскопа. Оптическое обнаружение нанодвижений (ONMD) - это метод, использующий классический оптический микроскоп, оснащенный видеокамерой, для измерения наноразмерных колебаний или вибраций клеток.
Клеточные нанодвижения - это новая область исследований, которая, как ожидается, позволит получить новые интересные фундаментальные биологические знания о клетках. В данном обзоре представлены последние достижения в области АСМ-консолей и оптического обнаружения клеточных нанодвижений. В исследованиях клеточных нанодвижений изучались бактерии, митохондрии, дрожжи и клетки млекопитающих. Кроме того, был представлен новый алгоритм обработки данных ONMD.
Плескова и др. использовали АСМ для изучения наномоторики различных клинических штаммов подвижных и неподвижных бактерий. Они выявили различия в наномоторике между разными бактериями. Флагеллярные бактерии (Escherichia coli, Proteus mirabilis) демонстрировали большие нанодвижения, чем нефлагеллярные (Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae). При размещении нейтрофильных гранулоцитов на AСM-консолях наблюдалось значительное увеличение нанодвижений при фагоцитозе.
Girasole et al. также использовали АСМ для изучения человеческих эритроцитов пациентов с фавизмом - генетическим дефектом эритроцитов, который влияет на их способность реагировать на окислительный стресс, а также определяет различия в метаболических и структурных характеристиках клеток. Они показали, что эритроциты пациентов с фавизмом демонстрируют более длительную наномоторную активность к принудительной активации синтеза АТФ по сравнению со здоровыми клетками. Они также подчеркнули, что клетки больных фавизмом демонстрируют большую устойчивость к повреждениям, связанным со старением.
Стародубцева и др. использовали ONMD для оценки влияния рентгеновского излучения на условно-патогенные грибки Candida albicans и их чувствительность к противогрибковым препаратам. Они продемонстрировали, что воздействие рентгеновского излучения и излучения в сочетании с противогрибковым препаратом флуконазолом нарушает низкочастотные нанодвижения. Было установлено, что скорость нанодвижений зависит от фазы клеточного цикла, поглощенной дозы излучения, концентрации флуконазола и продолжительности периода после облучения.
Parmar et al. продемонстрировали, что субклеточные органеллы, такие как митохондрии, также могут быть обнаружены с помощью базового оптического микроскопа. Исследование включало в себя мониторинг OMND митохондрий, подвергшихся воздействию митохондриальных токсинов, промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты, а также продуктов диетической и бактериальной ферментации (короткоцепочечных жирных кислот) в различных дозах и в течение различных периодов времени. Исследование показало, что мониторинг ONMD в митохондриях имеет ряд преимуществ по сравнению с классическими методами, поскольку он является быстрым, обладает чувствительностью на уровне одной органеллы, а также не содержит меток.
Villalba et al. представили новый алгоритм для обработки данных ONMD. Метод был применен к подвижным (E. coli), неподвижным (S. aureus), быстро- (E. coli) и медленно растущим (Mycobacterium smegmatis) бактериям, а также к различным дрожжам (C. albicans, Saccharomyces cerevisiae). Метод позволяет анализировать целую популяцию микроорганизмов без отслеживания отдельных клеток. Это позволило ускорить процедуру обработки данных и снизить сложность алгоритма их обработки.
Первоначальные приложения исследований клеточных нанодвижений были направлены на изучение переходов "жизнь-смерть", то есть на разработку быстрых тестов на чувствительность к антибиотикам и противогрибковым препаратам. В двух работах подчеркивается, что исследования клеточных нанодвижений могут быть расширены для оценки влияния радиации, а обработка данных о переходах "жизнь - смерть" может быть значительно упрощена с помощью нового алгоритма обнаружения нанодвижений. Три работы расширили анализ нанодвижений для обнаружения метаболических изменений, происходящих в эритроцитах, нейтрофилах и митохондриях. Исследование митохондрий показывает, что ONMD можно использовать и для мониторинга отдельных, изолированных органелл. Эти исследования открывают путь к использованию обнаружения нанодвижений в качестве безметочного, быстрого и простого инструмента диагностики.
