NADH или никотинамид аденин динуклеотид — ключевой коэнзим (небелковая молекула, необходимая для функционирования фермента), содержащийся, главным образом, во внутренней мембране митохондрий.

Митохондрии называют энергетическими станциями клеток потому, что они питают биохимические реакции, которые вовлекают различные ферменты для производства ATP (аденозинтрифосфорная кислота, АТФ) — нуклеотида, молекулы которого выполняют в клетке функцию основного источника энергии для клеток. В случае заболевания или метаболического расстройства эти ферменты отказывают, в результате чего накапливается NADH.

«Дисфункциональные ферменты в митохондрии связаны с серьезными проблемами для здоровья, такими как рак и нейродегенеративные болезни», заявил Ахмед Хейкал, профессор биоинженерии из университета Пенсильвании. «Обнаруживая уровень NADH-коэнзима и его распределение в живых клетках, мы будем в состоянии контролировать митохондриальную активность, а значит и целостность любой клетки, не применяя ядовитые красители, которые разрушают клеточную структуру».

По словам ученого, одна из основных проблем в диагностировании рака — это способность отличить здоровые клетки от больных, особенно на ранних стадиях развития опухоли.

Чтобы определить разницу между ними, ученые использовали естественно освещенные молекулы NADH. Комбинируя спектроскопию и микроскопию, ученые смогут определить точную меру концентрации молекул-маркеров в клетках. Хейкал и аспирант биоинженерии Ю выяснили, что средняя концентрация NADH в клетках рака молочной железы вдвое больше, чем в здоровых.

«Если мы будем иметь две клетки, одну — здоровую, а другую — больную, то мы с уверенностью сможем обнаружить разницу между ними», сообщил Хейкал. «Нам впервые удалось количественно определить концентрацию NADH в злокачественных и здоровых клетках молочной железы».

Также ученые проверили количество молекул-маркеров в свободных и в связанных с другими ферментами клетках. Оно также разнится для здоровых и больных клеток.

«Мы поняли, что интенсивность свечения зависит не только от концентрации NADH, но и от структуры — свободной или энзимозависимой, а также от местоположения в клетке — в цитоплазме или в митохондрии», пояснил Хейкал. «Так как свободная молекула может вращаться быстрее, чем связанная с ферментами, нам удалось разработать технологию, названную отображением вращательного распространения, чтобы определить точную меру концентрации свободных и энзимозависимых молекул NADH вне зависимости от ее положения — в митохондрии или клеточной жидкости цитозоли».

Чтобы подтвердить, что изменения в химических реакциях по производству АТФ могут привести к увеличению молекул-маркеров, Хейкал и Ю подвергли здоровые клетки молочной железы воздействию цианистого калия. Количество NAD в этих клетках значительно возросло.


В ходе более ранних исследований ученые измеряли количество NADH в клетках с использованием обычных биохимических методов, которые требуют разрушения клеток. Но по словам Хейкала измерить концентрацию нужных молекул в мертвых клетках невозможно с точностью, необходимой для диагностического или клинического использования.

«Преимущество нашего неразрушительного подхода состоит в том, что местоположение NADH в клетке имеет отношение к ее функции выживания», объяснил Хейкал. «Когда клетка разрушается, становится невозможным определить, где именно молекулы находились в живой клетке и какую роль они играли».

Ученые утверждает, что измерение уровня маркеров в клетке без ее разрушения имеет потенциал для применения технологии в лечении болезней и назначении лекарства.

«Наша технология не ограничивается обнаружением раковых опухолей. Другие нейродегенеративные болезни, связанные с митохондриальными аномалиями, также могут быть обнаружены», сообщил Хейкал. «Также мы можем использовать новый подход для определения количественной эффективности новых лекарственных препаратов».