Ученые провели комплексное исследование биологических эффектов терагерцевого (ТГц) излучения, изучив его воздействие на клетки меланомы человека. Исследователи показали, что ТГц-излучение меняет метаболизм клеток, не разрушая их мембрану и не вызывая гибели. Работа опубликована в журнале Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Molecular and Cell Biology of Lipids.
Терагерцевое излучение, расположенное между микроволновым и инфракрасным диапазонами электромагнитного спектра (100 ГГц — 10 ТГц), в естественных условиях практически не взаимодействует с живыми организмами, так как атмосфера поглощает ТГц-волны, а биологические системы еще не эволюционировали для защиты от них.
В последние годы интерес к ТГц-технологиям стремительно растет благодаря их потенциальному применению в различных областях, включая фармацевтику, системы гражданской безопасности и передачу данных для будущих поколений связи 6G. В медицине ТГц-излучение рассматривается как перспективный инструмент для диагностики сухого глаза, диабетической стопы и опухолей кожи. Несмотря на это, большинство исследований, посвященных влиянию ТГц-излучения на эукариотические клетки, были ограничены частотами ниже 1 ТГц и коротким временем воздействия, что не позволяло оценить долгосрочные последствия облучения.
В новом исследовании ученые использовали клеточную линию SK-MEL-28 — клетки меланомы человека, полученные из коллекции Центра генетических ресурсов ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН». Клетки облучали Новосибирским лазером на свободных электронах (NovoFEL), установкой Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. Для сравнения часть клеток облучали и инфракрасным (ИК) излучением, чтобы исключить эффект нагрева и выделить изменения, связанные именно с ТГц-излучением.
«Чтобы оценить влияние ТГц-излучения на жизнеспособность клеток, мы использовали тесты косвенной оценки цитотоксичности. МТТ-тест позволил измерить долю клеток, поврежденных излучением; клоногенный анализ — определить их способность к неограниченному делению и формированию новых колоний после облучения; окрашивание трипановым синим — оценить количество нежизнеспособных клеток», — рассказала младший научный сотрудник НИИ клинической и экспериментальной лимфологии — филиала ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» Екатерина Алексеевна Бутикова.
Кроме того, исследователи проводили метаболомный анализ. Они использовали жидкостную хроматографию в сочетании с тандемной масс-спектрометрией (LC-MS/MS) и подход, разработанный учеными из Новосибирского государственного университета и Новосибирского института органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН. Благодаря нему ученые могли анализировать около 400 метаболитов (включая как полярные соединения, так и липиды) менее чем за 30 минут. Это позволило выявить изменения уровней метаболитов в клетках после воздействия ТГц-излучения. На основе метаболомных данных ученые реконструировали генные сети с помощью программы ANDVisio.
«Мы выяснили, что ТГц-излучение, не вызывая разрушения клеток, влияет на их метаболизм. Согласно нашим данным, процесс начинается с поглощения излучения мембранами, в частности митохондриальными. Это приводит к нарушению структуры липидных рафтов — специализированных участков мембраны, способных к обратимой агрегации и дезагрегации и состоящих из липидов и белков. Хотя эти нарушения снижают эффективность каталитических реакций и транспорта метаболитов, их обратимость позволяет предположить существование механизмов восстановления. В целом ТГц-излучение оказывает значительное воздействие на метаболические процессы, причем характер этих изменений зависит от продолжительности облучения. Наиболее заметные изменения происходят в путях деградации пуринов и пиримидинов — основных компонентов ДНК и РНК, а также затрагивают липиды (церамиды и фосфатидилхолины). Анализ генетических сетей подтвердил, что ТГц-излучение модифицирует митохондриальные процессы, такие как перенос электронов и регуляцию апоптоза, сохраняя при этом целостность белков и высокую жизнеспособность клеток», — отметила Екатерина Бутикова.
В будущем ученые планируют продолжить исследования ТГц-излучения, изучая его воздействие на другие типы клеток, включая здоровые, а также применять аналогичные методы исследования для поиска общих закономерностей влияния излучения на клетки.
В исследовании принимали участие: Новосибирский государственный университет, Научно-исследовательский институт клинической и экспериментальной лимфологии — филиал ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН», Новосибирский институт органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН, ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН», Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН.
Полина Щербакова
Изображения предоставлены исследовательницей
