Энергетический метаболизм

- это поток реакций, сопровождающихся мобилизацией энергии и преобразованием ее в электрохимическую (дельта мю H+ ) или химическую ( АТФ ) форму, которая затем может использоваться во всех энергозависимых процессах.
Энергетический метаболизм

Метаболизм нормальных клеток
Метаболизм клеток
опухолевых
Диагностика и визуализация процесса лечения
Эффект Варбурга
Метаболические особенности
опухолевых клеток:
Активная неконтролируемая пролиферация
Повышен уровень гликолиза
У солидных опухолей преобладают явление гипоксии
Фибробласт
Онк.клетка

высокая потребность опухолевых клеток в синтезе макромолекул для активного роста.
понижено образование свободных радикалов
продуктом гликолиза является лактат, снижение pH, что способствует опух инвазии и метастазированию
Преимущества метаболизма опухолевой клетки

Кофакторы НАДН и ФАД и их роль
в энергетическом метаболизме клетки
НАДН
ФАД
первичный донор электронов
первичный
акцептор электронов и протонов в дыхательной
цепи митохондрий

НАДН
ФАД
Кофакторы НАДН и ФАД и их роль
в энергетическом метаболизме клетки
локализован в цитоплазме и митохондриях и участвует преимущественно в энергетическом обмене клетки.
Локализован в митохондриях
задействован в
различных биохимических процессах (утилизация глутатиона, липогенез, перекисное окисление липидов и др)

Методы «метаболического имиджинга»

Редокс-отношение
(предложен в 60-х годах Чансом)
Используется для оценки метаболического статуса опухолевых клеток in vitro, ткани ex vivo и опухолей in vivo.
-отношение интенсивности флуоресценции окисленных электронных переносчиков к восстановленным
ФАД/(НАДН+ФАД)
ФАД/НАДН
НАДН/ФАД
1. Низкое редокс-отношение указывает на
высокую метаболическую активность клетки и прео-
бладание гликолитического пути над окислительным
фосфорилированием.
2.Снижение интенсивности НАДН и увеличение ФАД
высокое редокс-отношение = высокой потребности в АТФ и прео-
бладании окислительного фосфорилирования.

Ostrander J.H., McMahon C.M., Lem S., Millon S.R.,
Brown J.Q., Seewaldt V.L., Ramanujam N. Optical redox
ratio differentiates breast cancer cell lines based on estrogen
receptor status. Cancer Res 2010; 70(11): 4759–4766, https://
doi.org/10.1158/0008-5472.can-09-2572.
Клетки РМЖ, экспрессирующая рецепторы эстрогена, имела сниженное редокс отношение.
Опухолевые клетки имеют увеличенное редокс-отношение НАДН/ФАД по сравнению с нормальными эпителиальными клетками.

На образцах эпителия шейки матки показано, что образцы с дисплазией имеют сниженное редокс-отношение ФАД/(НАДН+ФАД) по сравнению с
нормальным эпителием
82. Ramanujam N., Richards-Kortum R., Thomsen S.,
Mahadevan-Jansen A., Follen M., Chance B. Low temperature
fluorescence imaging of freeze-trapped human cervical tissues.
Opt Express 2001; 8(6): 335–343, https://doi.org/10.1364/
oe.8.000335.

В совместной культуре клеток цервикальной карциномы человека и человеческих фибробластов происходил:
метаболический сдвиг от окислительного фосфорилирования к гликолизу в раковых клетках
от гликолиза к OXPHOS в фибробластах начиная со второго дня совместного культивирования.
Переключатель метаболизма сопровождался продуцированием Н2О2 и небольшим подкислением цитозоля в раковых клетках по сравнению с метаболизмом соответствующей монокультуры
Cell Cycle. 2016 May 2;15(9):1257-66. doi: 10.1080/15384101.2016.1160974.
Метаболическое взаимодействие раковых клеток и фибробластов

Метод время-коррелированного счета фотонов
(time-correlated single photon counting, TCSPC)

Флюоресцентный имиджинг с временным
разрешением. (FLIM)
базировано на том, что время жизни флюоресценции кофакторов
НАДН и ФАД существенно отличается в зависимости
от того, в свободном состоянии они находятся или
связаны с белками.
Дает возможность исследовать метаболические кофакторы в живых клетках путем измерения среднего времени, в течение которого молекула находилась в возбужденном состоянии, а не фактической интенсивности флюоресценции.
Микроокружение является наиболее значимым фактором, так как на время жизни влияют:
pH,
температура,
концентрация
ионов
концентрация кислорода,
связь с другими молекулами (комформация)

Ex vivo микроскопия тканей пациента с раком головы и шеи
Shah A.T., Skala M.C. Ex vivo label-free microscopy
of head and neck cancer patient tissues. Proc. SPIE 9329,
Multiphoton Microscopy in the Biomedical Sciences XV,
93292B

Из-за небольшой глубиной зондирования
(~300 мкм), работы с использованием FLIM на опухолях человека in vivo ограничены исследованиями новообразований кожи и головного мозга
Seidenari S., Arginelli F., Dunsby C., French P.M.,
Konig K., Magnoni C., Talbot C., Ponti G. Multiphoton laser
tomography and fluorescence lifetime imaging of melanoma:
morphologic features and quantitative data for sensitive and
specific non-invasive diagnostics. PLoS ONE 2013;
зеленые крупные кератиноциты
крупные оранжевые меланинсодержащие кератиноциты
красные меланоциты
A, B. Здоровая кожа
C, D и E. Меланоцитарный невус
F. Базально-клеточная карцинома
гнездо синих базалоидных клеток
инфильтрирование зеленых нормальных кератиноцитов

In vivo многофотонная томография и флуоресцентная визуализация ткани опухоли головного мозга человека.
Многофотонный томограф был применен для обеспечения оптических биопсий при резекции клинического случая глиобластомы. Отображение интенсивности морфологического флуоресценции и визуализация на протяжении всей жизни опухолевых мышц мыши и нативных образцов ткани человека четко дифференцировали опухоль и смежную ткань головного мозга. Было установлено, что интраоперационная визуализация технически осуществима. Качество интраоперационного изображения было сопоставимо с исследованиями ex vivo.
J Neurooncol. 2016 май, 127 (3): 473-82. doi: 10.1007 / s11060-016-2062-8. Epub 2016 30 января.
лазерный томограф