Впервые на животных продемонстрирована возможность неинвазивной оценки важнейшего биологического процесса – пищеварения. Результаты опубликованы в Microchemical Journal

Цвет до сих пор не рассматривали в качестве существенного показателя функционального состояния живого организма. Это связано со сложностью точной количественной характеристики цвета, определения его соответствия известным физическим параметрам. Несмотря на развитие цифровой техники, в частности, появление так называемых калибраторов мониторов (цифровых микроспектрофотометров), которые позволяют измерять спектральные и цветовые характеристики поверхности объекта, в современной биологии цвет объекта характеризуется лишь в ходе спектрального анализа классическими аналитическими методами с растворением образца и измерением спектров его составляющих.

Группа ученых Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН и МГУ им. М.В. Ломоносова вышла за рамки этой стандартной в биологии модели определения цвета и впервые на простых животных – планариях – показала, что отдельные фундаментальные процессы в живых организмах можно оценить неинвазивно – при помощи регистрации их цветовых характеристик. В частности, таким способом удалось изучить работу кишечника планарии - без проникновения во внутреннюю полость органа.

В эксперименте червей помещали в каплях воды на лист белой бумаги, после чего воду максимально удаляли, а к животным прикладывали окно регистратора спектрофотометра-калибратора мониторов GretagMacbethEye-One, который через несколько секунд выдавал результат – спектр отражения объекта. Полученный спектр, также с помощью дополнительных функций спектрофотометра, впоследствии можно связать с цветом.

Комментирует один из авторов статьи, старший научный сотрудник ИТЭБ РАН Харлампий Тирас:

«Мы кормили планарий разной по цвету и спектру пищей: мотылем, в котором доминирует красный цвет от окси-гемоглобина, и куколками мучного хрущака, у которого лимфа белесого цвета, поскольку их кормят отрубями. Путем измерения параметров спектра отражения индивидуальной планарии мы наблюдаем, как падает величина показателя гемоглобина (длина волны максимума спектра поглощения гемоглобина известна – 560 нм, при помощи прибора мы измеряли величину коэффициента отражения планарии в данной точке спектра по мере переваривания пищи). Отсюда легко оценить динамику пищеварения: сколько гемоглобина переварено на первый, второй и третий день после кормления. Принципиальный момент «моей» биологии – неинвазивная регистрация на уровне целого организма, то есть мы регистрируем процесс по мере его протекания, а не фиксируем его этапы, как это делает классическая биохимия».

Смысл этих измерений – как раз в демонстрации возможности неинвазивной оценки пищеварения у планарий. Важно и то, что у этих животных переваривание пищи осуществляется методом фагоцитоза, то есть поглощением еды всеми клетками организма (кроме нервных). Этот же процесс - фагоцитоз - является важнейшей основой функционирования иммунной системы человека, ответственной за «поглощение» чужеродных клеток в организме – вирусов, бактерий, собственных измененных клеток и других нежелательных агентов. В данном случае планарии оказались удобной моделью для изучения и контроля фагоцитоза in vivo.

Проецировать результаты, полученные на планариях, на человека, конечно, пока рано. Черви сейчас «работают» для снабжения науки новыми знаниями о возможном протекании в живом организме фундаментальных процессов, в частности, пищеварения, и вероятной связи этих процессов с цветом живых объектов.

Тем не менее, в планах исследователей проверить теорию на других животных – сначала на головастиках и лягушках, у которых пигментация играет важную роль, а потом на мышах и крысах. В существующем виде система может найти применение на этапе перед классическими доклиническими исследованиями, проводимыми на высших животных.

«В настоящее время мы разрабатываем метод неинвазивного введения в планарий различных химических веществ - стимуляторов и ингибиторов фагоцитоза, что позволит создать систему быстрого скрининга такого рода молекул для дальнейшего применения в доклинических исследованиях. Мы также стараемся убедить медиков использовать данную тест-систему и валидировать наш подход, пока успеха не добились, но прогресс уже виден – медики начинают понимать, что простые модели на беспозвоночных животных полезны для научной работы. Это альтернативная система на первых этапах скрининга,- отмечает Харлампий Тирас.

По мнению ученого, также большие перспективы данный подход имеет в области физиологии растений - его применение позволит регистрировать их состояние прямо в полевых условиях, не разрушая объект, что актуально, например, для краснокнижных растений. Не исключено, что в будущем новые знания будут работать и применительно к человеку, - по меньшей мере, для неинвазивной диагностики заболеваний пищеварительной системы. Если удастся обеспечить корректную стандартизацию метода, вероятно, он станет основой для развития нового направления в биологии и биофизике – биофотоники живых организмов или биологической цветометрии.

Источник: V.V.Apyari, Kh.P.Tiras, S.E.Nefedova, M.V.Gorbunova. Non-invasive in vivo spectroscopy using a monitor calibrator: A case of planarian feeding and digestion statuse. Microchemical Journal, Volume 166, July 2021, 106255 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0026265X21003398

На фото: аспирант Светлана Нефедова и старший научный сотрудник Лаборатории энергетики биологических систем ИТЭБ РАН, к.б.н. Харлампий Тирас.

Материал подготовила: Наталья Быкова
Пресс-служба ИТЭБ РАН, iteb-press@yandex.ru