Ученые нашли способ убивать раковые клетки с помощью света

Оптогенетика — сравнительно новый метод, который уже стал ценным инструментом в биофизике. С его помощью можно управлять поведением клеток, воздействуя на них светом. Основа этого подхода — микробные родопсины: белки, содержащие ретиналь и способные перемещать ионы через клеточную мембрану под действием света.

Исследователи из МФТИ в своём новом эксперименте применили один из таких белков — Arch3, полученный из архей. Его использование позволило изменить кислотность внутренней среды в раковых клетках. Это привело к ускоренному образованию активных форм кислорода и запуску механизма апоптоза — программируемой гибели клеток.

Результаты исследования были опубликованы в журнале «Биохимия». Хотя оптогенетика сравнительно молода, она уже широко применяется, особенно для изучения нейронов и других клеток, способных активно реагировать на внешние сигналы. С её помощью стало возможным контролировать нейронную активность, исследовать мышечные клетки, клетки желез, а также изучать физиологические процессы в клетках, которые не обладают возбудимостью.

Одним из ключевых параметров, который можно отслеживать, является кислотность (pH) — как в цитоплазме, так и в органеллах, включая митохондрии. Эти «энергостанции» клетки производят активные формы кислорода (АФК), важные для регуляции клеточных процессов. Однако при избытке они становятся токсичными и запускают апоптоз. В норме матрикс митохондрий имеет слабощелочную среду (около pH 8), и её сдвиг может быть сигналом к клеточной смерти.

Связь между щелочной средой в митохондриях и уровнем АФК активно исследуется, так как это важно для понимания процессов, лежащих в основе рака, сердечно-сосудистых заболеваний и нейродегенераций.

Этой темой заинтересовались и биофизики из МФТИ. В своей работе они показали, что изменение кислотности в цитоплазме приводит к увеличению образования АФК и последующей гибели клетки. Для отслеживания этих процессов использовались специальные флуоресцентные сенсоры, чувствительные к перекиси водорода — одному из видов АФК. С их помощью можно было точно оценить, как меняется уровень окислительного стресса внутри клетки.

Эксперимент проводился на клетках HeLa — устойчивых к делению раковых клетках человека. В их мембране экспрессировали Arch3, который под воздействием света выкачивал протоны из клетки, тем самым повышая pH в цитоплазме. Сенсоры HyPer7, находящиеся как в цитоплазме, так и в митохондриях, фиксировали изменения уровня перекиси водорода.

Учёные учли возможные искажения в измерениях — от изменений формы клеток до колебаний фокуса. В результате было зафиксировано значительное повышение уровня АФК, причём сначала менялся pH в митохондриях, а затем начинался рост перекиси водорода. Это указывает на то, что сдвиг кислотности может запускать процессы, приводящие к гибели клетки.

Авторы исследования объяснили, что длительное защелачивание цитоплазмы при помощи оптогенетики вызывает «кислородный всплеск» внутри клетки. По их словам, это может быть одним из механизмов, запускающих апоптоз, и дальнейшее изучение этой связи важно для понимания того, как клетки переходят в патологическое состояние — в том числе при развитии опухолей и нейродегенеративных заболеваний, пишет Naked Science.