Изучение клеток мозга при нейродегенеративных заболеваниях: микроспектроскопия комбинационного рассеяния и сканирующая ион-проводящая микроскопия

К.И. Морозова, Е.Ю. Паршина, Т.А. Казакова, А.И. Юсипович, О.В. Слатинская, А.Р. Браже, И.А. Гривенников, Н.А. Браже, Г.В. Максимов

Ключевые слова: спектроскопия комбинационного рассеяния; спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния; плазмонные серебряные наноструктуры; сканирующая ион-проводящая микроскопия; нейрон; астроцит; плюрипотентные стволовые клетки.

2025, том 17, номер 1, стр. 27.

DOI: https://doi.org/10.17691/stm2025.17.1.03

Полный текст статьи

html pdf

120

Аннотация
Список литературы
Как цитировать в References

Цель исследования — выявление отличий в структуре сети отростков нейронов, составе и функциональном состоянии клеток путем изучения тел и отростков нейронов мозга крысы и астроцитов, полученных из плюрипотентных стволовых клеток здоровых доноров и пациентов с наследственной болезнью Паркинсона, с помощью комплекса современных высокоточных методов — микроспектроскопии комбинационного рассеяния, гигантского комбинационного рассеяния и сканирующей ион-проводящей микроскопии.

Материалы и методы. С помощью методов спектроскопии комбинационного рассеяния и сканирующей ион-проводящей микроскопии исследовали морфологию и состояние молекул в нейронах мозга крысы и астроцитах, индуцированных из плюрипотентных стволовых клеток здоровых доноров и пациентов с наследственной болезнью Паркинсона.

Результаты. Установлено, что характерные полосы спектров комбинационного рассеяния и гигантского комбинационного рассеяния нейронов и астроцитов позволяют исследовать распределение и конформацию ряда биологических молекул (белки, липиды, цитохромы) в норме и при патологии. Показано, что при болезни Паркинсона наблюдается снижение содержания белков и увеличение доли восстановленных цитохромов в дыхательной цепи митохондрий астроцитов. При сравнении морфологии тел и отростков астроцитов обнаружено, что высота и площадь сечения отростков астроцитов из клеток пациентов с наследственной болезнью Паркинсона значимо больше, чем у здоровых.

Заключение. Разработанный подход к регистрации распределения и конформации молекул в нейронах и астроцитах, а также к изучению морфологии отростков астроцитов позволяет диагностировать функциональное состояние клеток и исследовать механизм патогенеза болезни Паркинсона.

Jaeger D., Pilger C., Hachmeister H., Oberländer E., Wördenweber R., Wichmann J., Mussgnug J.H., Huser T., Kruse O. Label-free in vivo analysis of intracellular lipid droplets in the oleaginous microalga Monoraphidium neglectum by coherent Raman scattering microscopy. Sci Rep 2016; 6: 35340, https://doi.org/10.1038/srep35340.
Samek O., Jonáš A., Pilát Z., Zemánek P., Nedbal L., Tříska J., Kotas P., Trtílek M. Raman microspectroscopy of individual algal cells: sensing unsaturation of storage lipids in vivo. Sensors (Basel) 2010; 10(9): 8635–8651, https://doi.org/10.3390/s100908635.
Subramanian B., Thibault M.H., Djaoued Y., Pelletier C., Touaibia M., Tchoukanova N. Chromatographic, NMR and vibrational spectroscopic investigations of astaxanthin esters: application to “Astaxanthin-rich shrimp oil” obtained from processing of Nordic shrimps. Analyst 2015; 140(21): 7423–7433, https://doi.org/10.1039/c5an01261a.
Brazhe N.A., Evlyukhin A.B., Goodilin E.A., Semenova A.A., Novikov S.M., Bozhevolnyi S.I., Chichkov B.N., Sarycheva A.S., Baizhumanov A.A., Nikelshparg E.I., Deev L.I., Maksimov E.G., Maksimov G.V., Sosnovtseva O. Probing cytochrome c in living mitochondria with surface-enhanced Raman spectroscopy. Sci Rep 2015; 5: 13793, https://doi.org/10.1038/srep13793.
Nikelshparg E.I., Grivennikova V.G., Baizhumanov A.A., Semenova A.A., Sosnovtseva V., Goodilin E.A., Maksimov G.V., Brazhe N.A. Probing lipids in biological membranes using SERS. Mendeleev Communications 2019; 29(6): 635–637, https://doi.org/10.1016/j.mencom.2019.11.009.
Pilot R., Signorini R., Durante C., Orian L., Bhamidipati M., Fabris L. A review on surface-enhanced Raman scattering. Biosensors (Basel) 2019; 9(2): 57, https://doi.org/10.3390/bios9020057.
Premasiri W.R., Chen Y., Fore J., Brodeur A., Ziegler L.D. Chapter 10 — SERS biomedical applications: diagnostics, forensics, and metabolomics. In: Laane J. (editor). Frontiers and advances in molecular spectroscopy. Elsevier; 2018; p. 327–367, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811220-5.00010-1.
Langer J., Jimenez de Aberasturi D., Aizpurua J., Alvarez-Puebla R.A., Auguié B., Baumberg J.J., Bazan G.C., Bell S.E.J., Boisen A., Brolo A.G., Choo J., Cialla-May D., Deckert V., Fabris L., Faulds K., García de Abajo F.J., Goodacre R., Graham D., Haes A.J., Haynes C.L., Huck C., Itoh T., Käll M., Kneipp J., Kotov N.A., Kuang H., Le Ru E.C., Lee H.K., Li J.F., Ling X.Y., Maier S.A., Mayerhöfer T., Moskovits M., Murakoshi K., Nam J.M., Nie S., Ozaki Y., Pastoriza-Santos I., Perez-Juste J., Popp J., Pucci A., Reich S., Ren B., Schatz G.C., Shegai T., Schlücker S., Tay L.L., Thomas K.G., Tian Z.Q., Van Duyne R.P., Vo-Dinh T., Wang Y., Willets K.A., Xu C., Xu H., Xu Y., Yamamoto Y.S., Zhao B., Liz-Marzán L.M. Present and future of surface-enhanced Raman scattering. ACS Nano 2020; 14(1): 28–117, https://doi.org/10.1021/acsnano.9b04224.
Kuku G., Altunbek M., Culha M. Surface-enhanced Raman scattering for label-free living single cell analysis. Anal Chem 2017; 89(21): 11160–11166, https://doi.org/10.1021/acs.analchem.7b03211.
Romo-Herrera J.M., Juarez-Moreno K., Guerrini L., Kang Y., Feliu N., Parak W.J., Alvarez-Puebla R.A. Paper-based plasmonic substrates as surface-enhanced Raman scattering spectroscopy platforms for cell culture applications. Mater Today Bio 2021; 11: 100125, https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2021.100125.
Shen Y., Yue J., Xu W., Xu S. Recent progress of surface-enhanced Raman spectroscopy for subcellular compartment analysis. Theranostics 2021; 11(10): 4872–4893, https://doi.org/10.7150/thno.56409.
Ando J., Fujita K., Smith N.I., Kawata S. Dynamic SERS imaging of cellular transport pathways with endocytosed gold nanoparticles. Nano Lett 2011; 11(12): 5344–5348, https://doi.org/10.1021/nl202877r.
Chen J., Wang J., Geng Y., Yue J., Shi W., Liang C., Xu W., Xu S. Single-cell oxidative stress events revealed by a renewable SERS nanotip. ACS Sens 2021; 6(4): 1663–1670, https://doi.org/10.1021/acssensors.1c00395.
Zhang Y., Jimenez de Aberasturi D., Henriksen-Lacey M., Langer J., Liz-Marzán L.M. Live-cell surface-enhanced Raman spectroscopy imaging of intracellular pH: from two dimensions to three dimensions. ACS Sens 2020; 5(10): 3194–3206, https://doi.org/10.1021/acssensors.0c01487.
Semenova A.A., Goodilin E.A., Brazhe N.A., Ivanov V.K., Baranchikov A.E., Lebedev V.A., Goldt A.E., Sosnovtseva O.V., Savilov S.V., Egorov A.V., Brazhe A.R., Parshina E.Y., Luneva O.G., Maksimov G.V., Tretyakov Y.D. Planar SERS nanostructures with stochastic silver ring morphology for biosensor chips. Journal of Materials Chemistry 2012; 22(47): 24530–24544, https://doi.org/10.1039/C2JM34686A.
Lill C.M. Genetics of Parkinson’s disease. Mol Cell Probes 2016; 30(6): 386–396, https://doi.org/10.1016/j.mcp.2016.11.001.
Verkhratsky A., Parpura V., Li B., Scuderi C. Astrocytes: the housekeepers and guardians of the CNS. Adv Neurobiol 2021; 26: 21–53, https://doi.org/10.1007/978-3-030-77375-5_2.
Marina N., Christie I.N., Korsak A., Doronin M., Brazhe A., Hosford P.S., Wells J.A., Sheikhbahaei S., Humoud I., Paton J.F.R., Lythgoe M.F., Semyanov A., Kasparov S., Gourine A.V. Astrocytes monitor cerebral perfusion and control systemic circulation to maintain brain blood flow. Nat Commun 2020; 11(1): 131, https://doi.org/10.1038/s41467-019-13956-y.
Qian K., Jiang X., Liu Z.Q., Zhang J., Fu P., Su Y., Brazhe N.A., Liu D., Zhu L.Q. Revisiting the critical roles of reactive astrocytes in neurodegeneration. Mol Psychiatry 2023; 28(7): 2697–2706, https://doi.org/10.1038/s41380-023-02061-8.
Verkhratsky A., Rodrigues J.J., Pivoriunas A., Zorec R., Semyanov A. Astroglial atrophy in Alzheimer’s disease. Pflugers Arch 2019; 471(10): 1247–1261, https://doi.org/10.1007/s00424-019-02310-2.
Yang Z., Wang K.K. Glial fibrillary acidic protein: from intermediate filament assembly and gliosis to neurobiomarker. Trends Neurosci 2015; 38(6): 364–374, https://doi.org/10.1016/j.tins.2015.04.003.
Korchev Y.E., Bashford C.L., Milovanovic M., Vodyanoy I., Lab M.J. Scanning ion conductance microscopy of living cells. Biophys J 1997; 73(2): 653–658, https://doi.org/10.1016/S0006-3495(97)78100-1.
Korchev Y.E., Milovanovic M., Bashford C.L., Bennett D.C., Sviderskaya E.V., Vodyanoy I., Lab M.J. Specialized scanning ion-conductance microscope for imaging of living cells. J Microsc 1997; 188(Pt 1): 17–23, https://doi.org/10.1046/j.1365-2818.1997.2430801.x.
Novak P., Li C., Shevchuk A.I., Stepanyan R., Caldwell M., Hughes S., Smart T.G., Gorelik J., Ostanin V.P., Lab M.J., Moss G.W., Frolenkov G.I., Klenerman D., Korchev Y.E. Nanoscale live-cell imaging using hopping probe ion conductance microscopy. Nat Methods 2009; 6(4): 279–281. Corrected and republished from: Nat Methods 2009; 6(12): 935, https://doi.org/10.1038/nmeth.1306.
Novak P., Shevchuk A., Ruenraroengsak P., Miragoli M., Thorley A.J., Klenerman D., Lab M.J., Tetley T.D., Gorelik J., Korchev Y.E. Imaging single nanoparticle interactions with human lung cells using fast ion conductance microscopy. Nano Lett 2014; 14(3): 1202–1207, https://doi.org/10.1021/nl404068p.
Novosadova E., Dolotov O., Inozemtseva L., Novosadova L., Antonov S., Shimchenko D., Bezuglov V., Vetchinova A., Tarantul V., Grivennikov I., Illarioshkin S. Influence of N-arachidonoyl dopamine and N-docosahexaenoyl dopamine on the expression of neurotrophic factors in neuronal differentiated cultures of human induced pluripotent stem cells under conditions of oxidative stress. Antioxidants (Basel) 2022; 11(1): 142, https://doi.org/10.3390/antiox11010142.
Novosadova E.V., Arsenyeva E.L., Manuilova E.S., Khaspekov L.G., Bobrov M.Y., Bezuglov V.V., Illarioshkin S.N., Grivennikov I.A. Neuroprotective properties of endocannabinoids N-arachidonoyl dopamine and N-docosahexaenoyl dopamine examined in neuronal precursors derived from human pluripotent stem cells. Biochemistry (Moscow) 2017; 82(11): 1367–1372, https://doi.org/10.1134/s0006297917110141.
Новосадова Е.В., Арсеньева Е.Л., Антонов С.А., Казанцева Е.А., Новосадова Л.В., Курко О.Д., Иллариошкин С.Н., Тарантул В.З., Гривенников И.А. Получение и характеристика глиальных клеток из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека. Нейрохимия 2020; 37(4): 358–367, https://doi.org/10.31857/S1027813320040068.
Senkovenko A., Skryabin G., Parshina E., Piryazev A., Tchevkina E., Bagrov D. Characterization of extracellular vesicles by sulfophosphovanillin colorimetric assay and Raman spectroscopy. Front Biosci (Landmark Ed) 2024; 29(10): 366, https://doi.org/10.31083/j.fbl2910366.
de Rus Jacquet A., Alpaugh M., Denis H.L., Tancredi J.L., Boutin M., Decaestecker J., Beauparlant C., Herrmann L., Saint-Pierre M., Parent M., Droit A., Breton S., Cicchetti F. The contribution of inflammatory astrocytes to BBB impairments in a brain-chip model of Parkinson’s disease. Nat Commun 2023; 14(1): 3651, https://doi.org/10.1038/s41467-023-39038-8.
Ramos-Gonzalez P., Mato S., Chara J.C., Verkhratsky A., Matute C., Cavaliere F. Astrocytic atrophy as a pathological feature of Parkinson’s disease with LRRK2 mutation. NPJ Parkinsons Dis 2021; 7(1): 31, https://doi.org/10.1038/s41531-021-00175-w.

Morozova K.I., Parshina E.Yu., Kazakova T.A., Yusipovich A.I., Slatinskaya O.V., Brazhe A.R., Grivennikov I.A., Brazhe N.A., Maksimov G.V. Study of Brain Cells in Neurodegenerative Diseases: Raman Microspectroscopy and Scanning Ion-Conductance Microscopy. Sovremennye tehnologii v medicine 2025; 17(1): 27, https://doi.org/10.17691/stm2025.17.1.03