Новости онкологии

13 февраля 2026

Российские ученые научились видеть скрытые повреждения сердечной ткани в режиме реального времени

Коллектив исследователей Института биофизики будущего МФТИ и ИТМО разработал новый оптический метод, позволяющий с высокой точностью оценивать метаболические нарушения в живой сердечной ткани, вызванные недостатком кислорода (ишемией). Этот подход, основанный на анализе свечения молекулы энергии NADH, впервые позволил создать карты ишемического повреждения, устойчивые к главным помехам биологических образцов – рассеянию и поглощению света. Результаты исследования позволят значительно повысить точность оценки жизнеспособности донорских сердец и мониторинг состояния пациента во время длительных операций на открытом сердце. Работа опубликована в журнале Chaos. Исследование поддержано грантом РНФ.

Рисунок 1. Визуализация пространственных изменений CSE при оптическом отображении изолированного эпикарда сердца крысы. Подпанель (1) показывает фоновый сигнал; подпанели (2) и (3) – начальное и конечное распределение fNADH; и подпанель (4) – стандартное отклонение сигнала с течением времени (SD). На подпанели (4) показано наличие метаболических пятен в ROI (выделены черной пунктирной линией), которые не обнаруживаются при обычном изображении NADH.

Нарушения в клеточном энергетическом обмене и окислительно-восстановительном балансе являются признаками многочисленных хронических заболеваний, включая рак, диабет, нейродегенеративные и сердечно-сосудистые заболевания, ишемии. Эти нарушения часто проявляют тканевые и субклеточные особенности нашего организма, что увеличивает потребность в высокоточных методах оценки метаболической активности. Одна из многообещающих стратегий – визуализация молекулы NADH (никотинамидадениндинуклеотида) – ключевого переносчика электронов, при этом обладающего автофлуоресценцией в видимом диапазоне света. Благодаря активному участию NADH в клеточных биохимических процессах его можно считать простым маркером недостаточного снабжения тканей кислородом, позволяющим различать изменения в органах.

В последнее время интерес научного сообщества привлекает еще одно полезное свойство NADH. Наше сердце перекачивает кровь постоянно, и эта работа целиком зависит от бесперебойного снабжения энергией. Эту энергию сердечные клетки миокарда производят в электростанциях нашего организма – митохондриях, где ключевую роль играют молекулы – переносчики электронов, такие как NADH и его окисленная форма NAD+. Соотношение NAD+ / NADH и является одним из самых чувствительных индикаторов клеточного здоровья. Смещение в сторону NADH сигнализирует о «кислородном голоде», то есть ишемии.

«Мониторинг состояния тканей с помощью флуоресценции молекул NADH существует давно, но он подходил только для лабораторных экспериментов, где изменения состояния отслеживаются относительно референсного эксперимента (например с сильным дисбалансом потребления и поступления энергии), что недопустимо в реальной медицинской практике с донорскими органами. Мы уже использовали естественную флюоресцентность NADH в наших предыдущих исследованиях. Это позволило установить, насколько такая флюоресцентная метка может дать точную информацию о состоянии ткани. В этом исследовании мы углубили свой поиск и изучили возможности использования NADH не только на культуре клеток, но и на самом сердце. Это позволит приблизить многообещающий метод к клинической практике и сразу перейти к анализу состояния органа без дополнительных замеров и экспериментов с ним»,– рассказал об исследовании первый автор Михаил Слотвицкий, старший научный сотрудник лаборатории экспериментальной и клеточной медицины МФТИ.

Само уникальное свойство NADH – светиться под ультрафиолетовым светом – ученые пытаются использовать для визуализации ишемии в реальном времени уже более полувека. Однако препятствием на пути стояла физическая проблема: интенсивность свечения зависит не только от концентрации NADH, но и от оптических свойств самой ткани, которые непредсказуемо варьируются от точки к точке. Сигнал зависит как от концентрации биомаркеров, так и от сильно изменяющихся светорассеивающих свойств образца. Сердце – неоднородный, подвижный орган, и попытки сравнивать абсолютную яркость свечения часто оказывались бессмысленными, требуя сложных контрольных измерений в «нормальном» состоянии, которого у пациента или донорского органа может попросту не быть.

Российские ученые предложили новый подход, используя стабильное, поддающееся измерению состояние, возникающее в результате конкуренции двух враждебных процессов: «обратимого» фотолиза молекулы NADH (управляемого визуализирующим светом) и ее непрерывной ферментативной регенерации из NAD⁺. Они отказались от анализа абсолютной яркости в пользу изучения динамики. Результаты этого соревнования дают надежную, не зависящую от рассеяния, информацию о метаболической функции тканей.

«В ходе исследования мы обратили внимание на то, что сам процесс наблюдения за NADH в ходе ее облучения ультрафиолетом не является пассивным. Под действием света молекула NADH разрушается (фотолизуется), превращаясь в NAD+. Таким образом, в системе запускаются два противоположно направленных биохимических процесса: естественный, восстанавливающий NAD+ обратно в NADH (за который отвечает фермент глутаматдегидрогеназа, GDH) и искусственный, вызываемый светом процесс окисления NADH. Мы предположили, что это конкурентное взаимодействие приведет к установлению особого конкурирующего полуравновесия. При этом форма кривой затухания свечения NADH при постоянном облучении должна нести уникальную «подпись». Она связана с тремя ключевыми параметрами этого взаимодействия: скоростью фотолиза, активностью фермента GDH и исходным соотношением NAD+ / NADH»,– пояснил Михаил Слотвицкий.

Для экспериментальной проверки команда использовала изолированные сердца крыс, перфузируемые по методу Лангендорфа. Сердце останавливали кардиоплегическим раствором, чтобы исключить движение, и облучали короткими импульсами УФ-света с разной мощностью, одновременно регистрируя свечение NADH высокоскоростной камерой. Протоколы экспериментов были тщательно выверены: ученые оценивали влияние градиента проникновения света в ткань, проверяли линейность отклика и, что самое важное, искусственно вызывали ишемию, прекращая подачу питательного раствора, чтобы отследить изменения в динамике CSE.

Сначала исследователи построили математическую модель, которая подтвердила, что такая однозначная связь (биекция) действительно существует, и превратили главный недостаток долговременной NADH-визуализации – фотообесцвечивание – в источник ценнейшей информации. Конкурирующее полуравновесие выступает в роли встроенного калибратора, который позволяет «вычесть» влияние неоднородности ткани и сосредоточиться на чистой биохимии.

«Что нам дал эксперимент непосредственно с сердцем? Само сердце дает постоянный источник информации о метаболическом состоянии ткани, находится ли в балансе поступление и потребление энергии. Для его анализа используют электрофизиологические методы, но при кардиоплегической остановке сердца (при длительных операциях или при перевозке донорского сердца) они недоступны, и тут поможет такое метаболическое картирование. В идеале с помощью нашей работы можно будет оценивать состояние сердца при длительной перевозке и для каждого конкретного органа предсказывать его пригодность к пересадке на данный момент. В целом метод будет применим и на других органах с высоким потреблением кислорода»,– подытожил Михаил Слотвицкий.

Практическое значение работы лежит в первую очередь в области кардиохирургии и трансплантологии. Кроме оценки донорских органов, метод может быть интегрирован в системы мониторинга во время длительных операций с искусственным кровообращением, позволяя в реальном времени отслеживать возникновение ишемии в различных отделах сердца. На фундаментальном уровне открытие «метаболических пятен» GDH открывает новое направление в исследовании гетерогенности сердечной ткани и механизмов адаптации к хронической ишемии, что важно для понимания таких заболеваний, как стенокардия и сердечная недостаточность.

«Дальнейшие шаги нашей команды связаны с развитием двух направлений. С одной стороны, более сложные математические модели позволят учесть вклад других ферментов и создать еще более точный „цифровой двойник” метаболизма сердца. С другой стороны, упрощенная аналитическая модель уже сегодня открывает путь к созданию систем реального времени для операционных. Наша конечная цель – создать инструмент, который будет не просто диагностическим, а предиктивным»,– добавила руководитель работы Валерия Цвелая, заведующая лабораторией экспериментальной и клеточной медицины МФТИ.

Научная статья: M. M. Slotvitsky, M. S. Medvedev, G. S. Pashintsev, V. S. Kachan, S. A. Romanova, K. I. Agladze, V. A. Tsvelaya. A Reference-Free Optical Method for Assessing Cardiac Ischemia via NADH Autofluorescence Dynamics. Heart, 2026.

1.В чем заключается принципиальная новизна предложенного российскими учеными оптического метода по сравнению с предыдущими попытками визуализации NADH?
Визуализация молекул NADH важна для исследования многих заболеваний, включая сердечно-сосудистые, нейродегенеративные заболевания, диабет и онкологию. В сердце такие молекулы копятся, когда потребление энергии превышает её поступление – это ранний признак ишемии и возможных повреждений. Эти молекулы можно обнаружить оптически – они светятся под действием фиолетового света. Однако путь излучения от молекул до детектора неоднороден и вносит большие ошибки в анализ, а сама яркость свечения нестабильна. Нам удалось математически описать и связать эти ограничения, найдя способ для их обхода – вместо того, чтобы бороться с недостатками, мы использовали их как новый источник информации.

2.Как исследователям удалось превратить главный недостаток флуоресцентной визуализации – фотообесцвечивание (фотолиз) NADH – в ключевое преимущество своего метода?
У молекул NADH есть второе интересное свойство помимо свечения (автофлуоресценции). Тот же фиолетовый свет может превращать NADH в несветящиеся молекулы NAD+. Наблюдая за яркостью сигнала NADH мы заметили, что ферментативные системы клеток чувствительны к переходам молекул NADH в NAD+, сердце старается “вернуть” соотношение NADH и NAD+ к исходному значению, тормозит снижение яркости. Именно способность сердца к такому сопротивлению описывает его метаболическое состояние гораздо лучше, чем яркость свечения NADH, ведь задействует целый каскад ферменативных реакций, которые мы теперь можем оценивать одновременно с мониторингом NADH. Для извлечения этой информации важна не яркость сигнала, а его затухание во времени, которое мы научились расшифровывать – и теперь мы можем не зависеть от существовавших ранее ошибок.

3.Почему традиционные методы мониторинга NADH, основанные на отслеживании изменений относительно референсного состояния, неприменимы в клинической практике с донорскими органами, и как новый метод решает эту проблему?
Такие методы известны более 50 лет, имеют патенты и ограниченной клиническое применение, но в основном применяются в лабораторных исследованиях. Это связано с тем, что лишь часть света от молекул NADH попадает на детекторы, это зависит от расположения детектора относительно поверхности сердца, окружающей жидкости и других факторов. Поэтому любые перемещения и повороты органа, любое взаимодействие врачей с ним изменит сигнал на детекторе, и это никак не будет связано с количеством молекул NADH. Так любые изменения прерывают анализ NADH и требуют повторную референсную запись, чтобы сравнивать с ней дальнейшие изменения яркости, что ограничивает клиническую применимость и полезность. Информация, которую мы смогли извлечь из затухания сигнала устойчива ко всем этим факторам, позволяет учесть изменения условий съёмки и скорректировать оценку ферментативной активности и количества NADH. Это важный шаг к клиническому применению, ведь только такой мониторинг позволит врачам своевременно корректировать перфузию сердца и непрерывно проверять эффективность своих вмешательств.

4.В каких конкретных клинических сценариях метод может найти немедленное применение, и почему он особенно ценен именно в этих ситуациях?
В кардиохирургии и транспланталогии достигнут большой прогресс по кардиоплегической остановке сердца, существуют специальные растворы для сохранения органа при длительных операциях и при транспортировке донорских органов. Такие растворы могут сохранять сердце до 4 часов, но взамен выключают его электрическую активность, лишая врачей своевременного мониторинга состояния сердца. Наш метод направлен на то, чтобы врачи могли непрерывно отслеживать состояние сердца при отсутствии его электрической активности – и какой запас времени имеется на транспортировку или проведение операции. Сейчас эта ниша занята биохимическим анализом, который показывает только необратимые повреждения сердца, не позволяя предугадать или предотвратить их. Наш метод способен отследить более раннюю стадию изменений, а также точно локализовать очаги повреждений. В перспективе это может как повысить эффективность пересадок сердца и операций на остановленном сердце, так и найти способы более длительного сохранения органов.

5. Что авторы подразумевают под «метаболическими пятнами» GDH и какое фундаментальное значение это открытие имеет для понимания заболеваний сердца?
Глутаматдегидрогеназа (GDH) это ключевой фермент, который сердце задействует для экстренного восстановления NADH и NAD+ в противодействие реакции, запускаемой внешним фиолетовым светом. Мы смогли подтвердить, что как только повреждения от кислородного голодания становятся необратимыми, GDH “выдыхается” и перестаёт сопротивляться. Именно это ставит барьер между допустимым метаболическим стрессом (например при ускорении сердцебиения или умеренных нагрузках) и началом необратимых изменений. Наш метод позволил визуализировать постепенный переход сердца к такому состоянию – первые повреждения формируют заметные пятна со сниженной активностью GDH, которые затем начинают увеличиваться в размерах, если не предпринять никаких мер. С фундаментальной точки зрения это наблюдение меняет взгляд на развитие хронических болезней сердца, таких как ишемическая болезнь сердца или сердечная недостаточность.

6.Каковы дальнейшие шаги развития этой технологии, согласно планам исследовательской группы?
В ближайшем будущем мы планируем продолжить развитие этих результатов, полученных при поддержке Российского Научного Фонда. Мы планируем разработку портативного прибора, который можно будет интегрировать в устройства для транспортировки донорских органов или в оборудование операционной. В случае успеха получится устройство для помощи принятия врачебных решений при трансплантации сердца и при длительных операциях на остановленном сердце. У кардиохирургов появится наглядный способ отслеживания жизнеспособности сердца, даже когда его необходимо “выключать” для экономии энергии. А так как принцип визуализации NADH является общим и для других органов, то возможно транслировать эту технологию на другие донорские органы и хирургические операции.