Том 29 № 4 (2025): Патология кровообращения и кардиохирургия
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

Дифференциация ишемии и артефактов в миокарде с помощью фотолиза никотинамидадениндинуклеотида

pdf
  • Михаил Михайлович Слотвицкий,
  • Георгий Сергеевич Пашинцев,
  • Михаил Серегевич Медведев,
  • Валерия Сергеевна Качан,
  • Виталий Дмитриевич Джабраилов,
  • Константин Игоревич Агладзе,
  • Валерия Александровна Цвелая
Михаил Михайлович Слотвицкий
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет ИТМО», Санкт-Петербург, Российская Федерация
Георгий Сергеевич Пашинцев
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет ИТМО», Санкт-Петербург, Российская Федерация
Михаил Серегевич Медведев
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет ИТМО», Санкт-Петербург, Российская Федерация
Валерия Сергеевна Качан
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет ИТМО», Санкт-Петербург, Российская Федерация
Виталий Дмитриевич Джабраилов
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)”, Москва, Российская Федерация
Константин Игоревич Агладзе
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)”, Москва, Российская Федерация
Валерия Александровна Цвелая
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет ИТМО», Санкт-Петербург, Российская Федерация
DOI: https://doi.org/10.21688/1681-3472-2025-4-44-53

Опубликован 21.01.2026

Ключевые слова

  • ишемия миокарда; метаболический мониторинг; оптическая визуализация; никотинамидадениндинуклеотид; сердце; флуоресценция; фотолиз

Как цитировать

Слотвицкий, М. М., Пашинцев, Г. С., Медведев, М. С., Качан, В. С., Джабраилов, В. Д., Агладзе, К. И., & Цвелая, В. А. (2026). Дифференциация ишемии и артефактов в миокарде с помощью фотолиза никотинамидадениндинуклеотида. Патология кровообращения и кардиохирургия, 29(4), 44–53. https://doi.org/10.21688/1681-3472-2025-4-44-53

Copyright (c) 2026 Михаил Михайлович Слотвицкий, Георгий Сергеевич Пашинцев, Михаил Серегевич Медведев, Валерия Сергеевна Качан, Виталий Дмитриевич Джабраилов, Константин Игоревич Агладзе, Валерия Александровна Цвелая

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

Аннотация

Актуальность. Визуализация флуоресценции никотинамидадениндинуклеотида в восстановленной форме является перспективным методом для оценки метаболического статуса миокарда при ишемии. Однако его широкому клиническому применению препятствует принципиальная неоднозначность интерпретации сигнала, который зависит как от метаболической концентрации этого кофермента, так и от условий освещения, что не позволяет надежно отличить ишемию от технических артефактов.

Цель. Разработать и валидировать метод однозначной интерпретации сигнала флуоресценции для дифференциации ишемии и артефактов на основе комбинированного анализа интенсивности флуоресценции и скорости фотолиза никотинамидадениндинуклеотида.

Методы. Проведена серия экспериментов на изолированных сердцах крыс (n = 8), перфузируемых по Лангендорфу. В четырех экспериментах моделировали ишемию (остановка перфузии), в других четырех технический артефакт (изменение мощности и положения ультрафиолетового источника). Для каждой пары записей до и после вмешательства оценивали относительное изменение интенсивности флуоресценции (dF) и скорости фотолиза (dN), вычисленной путем аппроксимации кинетики математической моделью. Первичной конечной точкой была точность классификации типа вмешательства на основе совместного ана- лиза dF и dN.

Результаты. При индуцированной ишемии наблюдалось значимое увеличение dF (294 ± 89 у.е.) при отсутствии изменения dN (1,31 ± 1.17 у.е., p > 0,05). В случае артефакта также регистрировался рост dF (289 ± 83 у.е.), но сопровождавшийся значимым увеличением dN (17,46 ± 5,25 у.е., p < 0,01). Совокупный анализ dF и dN позволил безошибочно классифи- цировать технические артефакты на всей тестовой выборке (n = 8).

Заключение. Комбинированный анализ флуоресценции и фотолиза никотинамидадениндинуклеотида позволяет устранить неоднозначность интерпретации сигнала и надежно дифференцировать ишемию миокарда от технических артефактов. Предложенный метод, не требующий референсной записи и длительного сканирования, может помочь внедрению метаболической визуализации в интраоперационный мониторинг и оценку жизнеспособности трансплантата.

pdf

Библиографические ссылки

  1. Wallace D.C. A mitochondrial bioenergetic etiology of disease. J Clin Invest. 2013;123(4):1405-1412. PMID: 23543062; PMCID: PMC3614529. https://doi.org/10.1172/JCI61398
  2. Song A., Zhao N., Hilpert D.C., Perry C., Baur J.A., Wallace D.C., Schaefer P.M. Visualizing subcellular changes in the NAD(H) pool size versus redox state using fluorescence lifetime imaging microscopy of NADH. Commun Biol. 2024;7:428. PMID: 38594590; PMCID: PMC11004000. https://doi.org/10.1038/s42003-024-06123-7
  3. Katsyuba E., Romani M., Hofer D., Auwerx J. NAD+ homeostasis in health and disease. Nat Metab. 2020;2(1):9-31. PMID: 32694684. https://doi.org/10.1038/s42255-019-0161-5
  4. Mayevsky A., Rogatsky G.G. Mitochondrial function in vivo evaluated by NADH fluorescence: from animal models to human studies. Am J Physiol Cell Physiol. 2007;292(2):C615-40. PMID: 16943239. https://doi.org/10.1152/ajpcell.00249.2006
  5. Niederschweiberer M.A., Schaefer P.M., Singh L.N., Lausser L., Bhosale D., Hesse R., Calzia E., Kestler H.A., Rueck A., Wallace D.C., von Einem B., von Arnim C.A.F. NADH Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy Reveals Selective Mitochondrial Dysfunction in Neurons Overexpressing Alzheimer’s Disease- Related Proteins. Front Mol Biosci. 2021;8:671274. PMID: 34195227; PMCID: PMC8236706. https://doi.org/10.3389/fmolb.2021.671274
  6. Kim J., DeBerardinis R.J. Mechanisms and Implications of Metabolic Heterogeneity in Cancer. Cell Metab. 2019;30(3):434-446. PMID: 31484055; PMCID: PMC6730674. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2019.08.013
  7. CHANCE B. Spectrophotometry of intracellular respiratory pigments. Science. 1954;120(3124):767-75. PMID: 13216168. https://doi.org/10.1126/science.120.3124.767
  8. Chance B., Schoener B., Oshino R., Itshak F., Nakase Y. Oxidation- reduction ratio studies of mitochondria in freeze-trapped samples. NADH and flavoprotein fluorescence signals. J Biol Chem. 1979;254(11):4764-71. PMID: 220260.
  9. Vergen J., Hecht C., Zholudeva L.V., Marquardt M.M., Hallworth R., Nichols M.G. Metabolic imaging using two-photon excited NADH intensity and fluorescence lifetime imaging. Microsc Microanal. 2012;18(4):761-70. PMID: 22832200; PMCID: PMC3842212. https://doi.org/10.1017/S1431927612000529
  10. Lee P., Yan P., Ewart P., Kohl P., Loew L.M., Bollensdorff C. Simultaneous measurement and modulation of multiple physiological parameters in the isolated heart using optical techniques. Pflugers Arch. 2012;464(4):403-14. PMID: 22886365; PMCID: PMC3495582. https://doi.org/10.1007/s00424-012-1135-6
  11. Swift L., Martell B., Khatri V., Arutunyan A., Sarvazyan N., Kay M. Controlled regional hypoperfusion in Langendorff heart preparations. Physiol Meas. 2008;29(2):269-79. PMID: 18256457; PMCID: PMC3019578. https://doi.org/10.1088/0967-3334/29/2/009
  12. Ince C., Vink H., Wieringa P.A., Giezeman M., Spaan J.A. Heterogeneous NADH fluorescence during post-anoxic reactive hyperemia in saline perfused rat heart. Adv Exp Med Biol. 1990;277:477-82. PMID: 2096651. https://doi.org/10.1007/978-1-4684-8181-5_53
  13. Ince C., Ashruf J.F., Avontuur J.A., Wieringa P.A., Spaan J.A., Bruining H.A. Heterogeneity of the hypoxic state in rat heart is determined at capillary level. Am J Physiol. 1993;264(2 Pt 2):H294-301. PMID: 8447446. https://doi.org/10.1152/ajpheart.1993.264.2.H294
  14. Efimov I.R., Nikolski V.P., Salama G. Optical imaging of the heart. Circ Res. 2004;95(1):21-33. PMID: 15242982. https://doi.org/10.1161/01.RES.0000130529.18016.35
  15. George S.A., Efimov I.R. Optocardiography: A Review of its Past, Present and Future. Curr Opin Biomed Eng. 2019;9:74-80. PMID: 31803858; PMCID: PMC6892455. https://doi.org/10.1016/j.cobme.2019.03.001
  16. Moreno A., Kuzmiak-Glancy S., Jaimes R. Rd, Kay M.W. Enzyme- dependent fluorescence recovery of NADH after photobleaching to assess dehydrogenase activity of isolated perfused hearts. Sci Rep. 2017;7:45744. PMID: 28361886; PMCID: PMC5374639. https://doi.org/10.1038/srep45744
  17. Kay M., Moreno A., Jaimes R. (2022). Enzyme-dependent fluorescence recovery of NADH after photobleaching to assess dehydrogenase activity of living tissues. U.S. Patent No. 11,445,950. 20 Sep. 2022.
  18. Mercader M., Swift L., Sood S., Asfour H., Kay M., Sarvazyan N. Use of endogenous NADH fluorescence for real-time in situ visualization of epicardial radiofrequency ablation lesions and gaps. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2012;10;302. PMID: 22408016; PMCID: PMC3362111. https://doi.org/10.1152/ajpheart.01141.2011
  19. George S.A., Lin Z., Efimov I.R. Simultaneous triple-parametric optical mapping of transmembrane potential, intracellular calcium and NADH for cardiac physiology assessment. Commun Biol. 2022;5(1):319. PMID: 35388167; PMCID: PMC8987030. https://doi.org/10.1038/s42003-022-03279-y
  20. Chi H., Bhosale G., Duchen M.R. Assessing the Redox Status of Mitochondria Through the NADH/FAD2+ Ratio in Intact Cells. Methods Mol Biol. 2022;2497:313-318. PMID: 35771452. https://doi.org/10.1007/978-1-0716-2309-1_21
  21. Joubert F., Fales H.M., Wen H., Combs C.A., Balaban R.S. NADH enzyme-dependent fluorescence recovery after photobleaching (ED-FRAP): applications to enzyme and mitochondrial reaction kinetics, in vitro. Biophys J. 2004;86(1 Pt 1):629-45. PMID: 14695307; PMCID: PMC1303832. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(04)74141-7
  22. Combs C.A., Balaban R.S. Direct imaging of dehydrogenase activity within living cells using enzyme-dependent fluorescence recovery after photobleaching (ED-FRAP). Biophys J. 2001;80(4):2018-28. PMID: 11259315; PMCID: PMC1301391. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(01)76172-3
  23. Tsvelaya V.A., Slotvitsky M.M., Medvedev M.S., Pashintsev G.S., Kachan V.S., Romanova S.A., Agladze K.I. Beyond intensity imaging: Dissipative equilibrium of NADH/NAD+ as a metabolic sensor for ischemic response in cardiac tissue. Research Square [Preprint]. Posted 2025 Jul 21. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-7159262/v1
  24. Marasco S.F., Kras A., Schulberg E., Vale M., Lee G.A. Impact of warm ischemia time on survival after heart transplantation. Transplant Proc. 2012;44(5):1385-9. PMID: 22664020. https://doi.org/10.1016/j.transproceed.2011.12.075
  25. Christoph J., Luther S. Marker-Free Tracking for Motion Artifact Compensation and Deformation Measurements in Optical Mapping Videos of Contracting Hearts. Front Physiol. 2018;9:1483. PMID: 30450053; PMCID: PMC6224482. https://doi.org/10.3389/fphys.2018.01483
  26. Lebert J., Ravi N., Kensah G., Christoph J. Real-Time Optical Mapping of Contracting Cardiac Tissues With GPU-Accelerated Numerical Motion Tracking. Front Cardiovasc Med. 2022;9:787627. PMID: 35686036; PMCID: PMC9172765. https://doi.org/10.3389/fcvm.2022.787627
  27. Eom M., Han S., Park P., Kim G., Cho E.S., Sim J., Lee K.H., Kim S., Tian H., Böhm U.L., Lowet E., Tseng H.A., Choi J., Lucia S.E., Ryu S.H., Rózsa M., Chang S., Kim P., Han X., Piatkevich K.D., Choi M., Kim C.H., Cohen A.E., Chang J.B., Yoon Y.G. Statistically unbiased prediction enables accurate denoising of voltage imaging data. Nat Methods. 2023;20(10):1581-1592. PMID: 37723246; PMCID: PMC10555843. https://doi.org/10.1038/s41592-023-02005-8
  28. Blinova K., Combs C., Kellman P., Balaban R.S. Fluctuation analysis of mitochondrial NADH fluorescence signals in confocal and two- photon microscopy images of living cardiac myocytes. J Microsc. 2004;213(1):70-5. PMID: 14678514. https://doi.org/10.1111/j.1365-2818.2004.01278.x
  29. Demchenko A.P. Photobleaching of organic fluorophores: quantitative characterization, mechanisms, protection. Methods Appl Fluoresc. 2020;8(2):022001. PMID: 32028269. https://doi.org/10.1088/2050-6120/ab7365
  30. Mamedov A., Gečys D., Jakuška P., Treinys R., Narauskaitė D., Aitaliyev S., Rumbinaitė E., Karčiauskas D., Benetis R., Stankevičius E. How different cardioplegic solutions influence genes expression and cytokine response in an immature rat heart model of ischemia/reperfusion? PLoS One. 2025;20(7):e0329010. PMID: 40729334; PMCID: PMC12306747. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0329010