В результате выраженных изменений метаболизма злокачественные клетки нередко начинают продуцировать летучие органические соединения, которые можно выявить в воздухе, выдыхаемом пациентом. Американские ученые из Университета штата Мичиган предложили сенсор для выявления летучей органики, продуцируемой раковыми клетками, который основан на использовании нейронных цепей обонятельной системы насекомых. Подробности работы ученые представили в статье, пока что опубликованной на сервисе препринтов bioRxiv.
Выявление летучих метаболитов, уникальных для злокачественных клеток – это перспективная стратегия для выявления раковых заболеваний, в том числе и на ранней стадии. Состав газовой смеси выдыхаемого воздуха можно успешно определить с помощью газовой хроматографии-масс-спектрометрии, однако такой подход не годится для клинической практики: он медленный, требует использования непортативных приборов, а также предварительной пробоподготовки. Американские ученые подошли к вопросу с другой стороны и предложили сенсор для летучих органических веществ, продуцируемых раковыми клетками, который основан на использовании обонятельной системы насекомых.
Насекомые наделены удивительно чутким обонянием и могут чувствовать присутствие определенных газов даже при очень малых их концентрациях, а также распознавать быстрые изменения в составе газовой смеси. В антеннах насекомых располагаются нейроны-рецепторы, которые могут распознавать летучие органические соединения. Один обонятельный нейрон может распознавать несколько веществ и, по разным оценкам, обонятельные нейроны насекомых способны реагировать на примерно 250 химических веществ.
Возбужденные обонятельные нейроны передают соответствующие сигналы на антеннальную долю мозга, где сигнал обрабатывается сложной сетью возбуждающих проекционных нейронов (projection neurons) и тормозящих локальных нейронов. Отдельные проекционные нейроны способны реагировать на несколько пахучих веществ (одорантов) и их смеси, отвечая различной частотой потенциалов действия с разными параметрами. Так возникает пространственно-временная кодировка запахов, которая отражает идентичность запаха, его интенсивность и изменение концентрации или состава смеси во времени.
Авторы исследования работали с проекционными нейронами антеннальной доли саранчи. Они детектировали invivo, как меняется активность этих нейронов под действием смесей летучей органики из воздуха, выдыхаемого пациентами с раком ротовой полости. Они предположили, что проекционные нейроны будут по-разному реагировать на смеси органических веществ, которые продуцируют клетки рака ротовой полости и нераковые клетки, выращенные в культуре.
Ученые оказались правы: обонятельные нейроны насекомых действительно могут различить композиции летучей органики от здоровых клеток и от клеток рака ротовой полости. Более того, с помощью обонятельной системы насекомых тест на злокачественность можно провести всего за 250 миллисекунд! Исследователи надеются, что описанные ими эффекты помогут в разработке новых методов неинвазивной диагностики рака.
Текст: Елизавета Минина
Harnessing Insect Olfactory Neural Circuits for Noninvasive Detection of Human Cancer by Farnum A, Parnas M, Apu EH, et al. Bioengineering; 2022. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.05.24.493311v1
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.05.24.493311v1