Nouă tehnică de imagistică dezvăluie modul în care celulele organizează procesarea glucozei

Un studiu publicat recent în revista Nature Communications prezintă o metodă inovatoare pentru cartografierea fluxului glucozei în hepatocite, de la nivelul întregului organism până la compartimente subcelulare. Cercetătorii au folosit o combinație de tehnici de izotopi stabili, microscopie electronică și modelare computațională pentru a vizualiza și cuantifica modul în care glucoza este metabolizată în ficat, în condiții de post și de încărcare glucidică.
Metabolismul celular este influențat de organizarea spațială a organitelor și de interacțiunile acestora. Studiile anterioare au evidențiat faptul că perturbarea contactelor dintre organite, cum ar fi mitocondriile și reticulul endoplasmatic, poate duce la boli metabolice sau neurodegenerative. Tehnicile actuale de metabolomică imagistică, precum MALDI-MS sau ToF-SIMS, nu pot însă atinge rezoluția necesară pentru a corela fluxul de nutrienți cu organizarea subcelulară.

Despre studiu

Protocol experimental

• Au fost utilizate șoareci C57BL/6J, masculi, de 8 săptămâni, cărora li s-a administrat glucoză marcată izotopic cu ¹³C ([U-13C6]-glucoză) prin perfuzie continuă timp de până la 4 ore.
• Au fost comparate două doze: 15 mg/kg/min (normoglicemie) și 40 mg/kg/min (hiperglicemie susținută).
• S-a măsurat dioxidul de carbon expirat (¹³CO₂) și s-a analizat sângele pentru a determina nivelul de glucoză și metaboliți derivați (lactat, piruvat, glicerol).

Tehnici de analiză

• MALDI-MS – imagistica distribuției glicogenului marcat cu ¹³C în secțiuni hepatice, la o rezoluție de 20 µm.
• MIMS-EM – combinația dintre microscopie electronică și spectrometrie de masă cu izotopi multipli, pentru detectarea izotopilor la nivel subcelular.
• Analiza spațială cu rețele de contact organitar și segmentare automată a organitelor cu rețele neuronale (U-Nets).

Rezultate

Metabolismul sistemic al glucozei

• Infuzia de glucoză marcată a dus la creșterea semnificativă a ¹³C în CO₂ expirat, confirmând oxidarea rapidă a glucozei.
• GC-MS a arătat creșterea fracției de glucoză și metaboliți circulanți marcați (¹³C), inclusiv piruvat și lactat.
• Conținutul hepatic de glicogen marcat cu ¹³C a crescut progresiv, în concordanță cu acumularea de glucoză în sânge.

Distribuția glucozei la nivel tisular

• MALDI-MS a arătat o creștere de ~8 ori a glicogenului în ficatul șoarecilor infuzați, cu un nivel de marcaj ¹³C între 30–50%.
• Fiecare produs de polimerizare a glucozei (GP3 – GP18) a conținut proporții variabile de molecule marcate.

Distribuția glucozei în hepatocite

• MIMS-EM a permis localizarea glucozei marcate în glicogen, reticul endoplasmatic, picături lipidice și mitocondrii.
• Depozitele de glicogen au prezentat cea mai mare îmbogățire cu ¹³C, urmate de ER și LD.
• Pe măsură ce glicogenul creștea, proporția citoplasmei ocupată de mitocondrii și ER scădea, sugerând reorganizarea funcțională a organitelor.

Rolul picăturilor lipidice în glicogeneză

• Imagistica SEM și tomografia electronică au arătat acumularea de glicogen în jurul și în contact direct cu picăturile lipidice.
• Structurile de glicogen erau adesea intercalate între membranele reticulului endoplasmatic neted (sER) și ale LD-urilor.
• Aceste compartimente par a forma un scaffold subcelular pentru sinteza glicogenului, conservat între specii (șoarece, C. elegans, om).

Reorganizarea rețelei de organite în funcție de aportul de glucoză

• Hepatocitele aflate în post prezentau rețele dense de contacte organitare, cu predominanța conexiunilor ER–mitocondrie.
• După infuzia cu glucoză, aceste conexiuni scădeau semnificativ (~80%), iar contactele se reorganizau în jurul depozitelor de glicogen.
• Analiza poziționării organitelor a indicat o distribuție aleatorie pentru mitocondrii și LD-uri, dar o distribuție clusterizată pentru glicogen.

Heterogenitate funcțională în funcție de contactul organitelor

• Mitocondriile în contact cu reticulul endoplasmatic aveau o îmbogățire semnificativ diferită în ¹³C față de cele izolate sau în contact cu LD-uri.
• Numai mitocondriile legate de ER în post au prezentat o poziționare nealeatorie, sugerând roluri funcționale specifice.

Concluzii

Acest studiu introduce o abordare complexă de imagistică și analiză spațială pentru a urmări în timp real și în spațiu fluxul glucozei în ficat. Glicogenoza se realizează în compartimente specializate, organizate în jurul picăturilor lipidice și reticulului endoplasmatic. Modificările în aportul de glucoză reorganizează profund contactele organitare, în special conexiunile mitocondrie–ER, cu potențiale implicații în înțelegerea homeostaziei energetice și a patologiilor metabolice.

Limitări: costurile ridicate și rezoluția limitată pentru identificarea moleculară a MIMS-EM. Totuși, această tehnologie deschide drumul către cartografierea spațială multi-omică a metabolismului celular.