Een nieuwe kleurveranderende uitvinding maakt ‘tijdreizen’ in cellen mogelijk

Onderzoekers van het Trinity College Dublin hebben in samenwerking met het Royal College of Surgeons of Ireland (RCSI) speciale kleurveranderende fluorescerende kleurstoffen ontwikkeld die voor het eerst kunnen worden gebruikt om meerdere verschillende biologische omgevingen tegelijkertijd te visualiseren met slechts één enkel middel . Kleurstof.

Wanneer deze kleurstoffen worden ingekapseld in geleidingsvaten, zoals die worden gebruikt in technieken b.v COVID-19 Vaccins gaan ‘aan’ en zenden licht uit via een proces dat ‘aggregatie-geïnduceerde emissie’ (AIE) wordt genoemd. Kort nadat ze de cellen hebben bereikt, gaat hun licht “uit” voordat het weer “aangaat” zodra de cellen de kleurstoffen naar de cellulaire lipidedruppeltjes hebben overgebracht.

Geavanceerde beeldvormingstechnieken

Omdat licht dat uit de cellen komt een andere kleur heeft en in een ander tijdsbestek optreedt dan licht dat uit hetzelfde pigment in geleidende vaten komt, kunnen onderzoekers een techniek gebruiken die fluorescentie-levensduurbeeldvorming (FLIM) wordt genoemd om in realtime onderscheid te maken tussen de twee omgevingen.

Het werk werd onlangs gepubliceerd in het toonaangevende internationale tijdschrift, Scheikunde. Eerste auteur, dr. Adam Henwood, een Senior Research Fellow aan de School of Chemistry van het Trinity Biomedical Sciences Institute (TBSI), werkte aan dit ontwerp samen met promovendus Connie Sigurvinsson.

Dr. Henwood legde uit: “Bioimaging is gebaseerd op 'aan/uit'-kleurstoffen, waarbij de kleurstoffen alleen licht uitstralen onder één reeks omstandigheden, maar anders worden uitgeschakeld. Dit is erg handig, maar het betekent dat je maar naar één plek tegelijk kunt kijken. Onder de microscoop. Het opwindende deel van dit werk is dat onze pigmenten een goede plek hebben bereikt waardoor ze verschillende aan/uit/aan-eigenschappen krijgen, en, nog belangrijker, we kunnen deze verschillende ‘aan’-toestanden waarnemen en onderscheiden.

“We zien dus allebei meer en zien beter dan voorheen. We doen dit door de tijd te timen die het licht van onze monsters nodig heeft om de microscoop te bereiken: licht uit geleidingsvaten duurt iets langer dan licht uit cellen binnenin. Door voldoende licht te verzamelen signalen “We kunnen deze informatie gebruiken om snel nauwkeurige 3D-beelden te maken van de twee verschillende kleurstofomgevingen. De tijdsverschillen zijn klein – in beide gevallen slechts een paar miljardsten van een seconde – maar onze methode is gevoelig genoeg om ze op te pikken.”

Deze unieke kwaliteit betekent dat de kleurstoffen een breed scala aan toepassingen kunnen hebben en bijvoorbeeld het potentieel hebben om een ​​revolutie teweeg te brengen in biosensor- en beeldvormingsmethoden.

De luminescentie verandert voor dezelfde kleurstof door van puur organisch oplosmiddel, links, naar water, rechts te gaan. Bron: Dr. Adam Henwood, Trinity College Dublin

Omdat deze kleurstoffen wetenschappers kunnen helpen de complexe structuren in levende cellen met zo’n hoog contrast en specificiteit in kaart te brengen, kunnen ze licht werpen op de manier waarop cellen medicijnen opnemen en metaboliseren, of wetenschappers in staat stellen een reeks nieuwe experimenten te ontwerpen en uit te voeren om ons begrip van de ziekte te verbeteren. cellen. De complexe innerlijke werking van cellen en hun cruciale biochemische machines.

In het artikel dat in het tijdschrift werd gepubliceerd, concentreerden de wetenschappers zich op het gebruik van kleurstoffen om cellulaire lipidedruppeltjes in beeld te brengen, wat een voorbeeld is van de belangrijke ‘organellen’ waaruit levende cellen bestaan ​​in de meeste complexe organismen (zoals wij mensen).

Van lipidedruppeltjes, voorheen beschouwd als eenvoudige ‘vetopslagplaatsen’, wordt nu gedacht dat ze een belangrijke rol spelen bij het reguleren van het cellulaire metabolisme en het coördineren van de opname, distributie, opslag en gebruik van vetten in cellen. Vanwege dit groeiende inzicht in het belang ervan, en omdat plotselinge veranderingen in hun activiteit vaak duiden op cellulaire stress, dienen ze als een nuttig testscenario voor kleurstoffen. Een mogelijke mogelijkheid voor verder onderzoek is om te kijken of het team zich met hun kleurstoffen op andere belangrijke cellulaire organellen kan richten.

Thorfinnur Gunnlaugsson, hoogleraar scheikunde aan de School of Chemistry van Trinity University en gevestigd bij TBSI, is de hoofdauteur van het artikel. Hij zei:

“Het vermogen om de cellulaire functie of de flux van moleculen of kandidaat-medicijnen in cellen te monitoren door verschillende fluorescentie-emissiekleuren te monitoren, is zeer aantrekkelijk. De doorbraak hier is dat we variatie in fluorescentielevensduren kunnen oplossen en gebruiken om dezelfde sensoren binnen verschillende te identificeren. cellulaire omgevingen op een snelle en nauwkeurige manier,' zei hij. Wat ons letterlijk in staat stelt om de kleurrijke 'tijdreizen' in de cellen in kaart te brengen.

“Maar wat nog spannender is, is dat dit fenomeen niet van toepassing is op cellulaire beeldvorming. Deze resultaten openen nieuwe mogelijkheden in alles, van de studie van de chemische biologie, zoals we hier hebben laten zien, tot vele andere medische toepassingen, en zelfs bij het genereren van nieuwe functionele materialen voor gebruik buiten het veld.” Biologie Elk materiaal op moleculaire of nanoschaal dat controleerbare moleculaire beweging vereist, kan in principe nauwkeurig in kaart worden gebracht en verfijnd met behulp van onze nieuwe methode.

Potentiële toepassingen en toekomstige trends

Dit is inderdaad waar de auteurs van plan zijn het internet breed uit te zenden. Ze voorzien veel nieuwe mogelijkheden voor deze kleurstoffen, waarbij ze hun uitzonderlijke gevoeligheid aanhalen als aantrekkelijk voor het ontwikkelen van sensoren voor gevaarlijke milieuverontreinigende stoffen of het gebruik van hun heldere lichtuitstralende eigenschappen om chemische transformaties teweeg te brengen, vergelijkbaar met natuurlijke. Fotosynthese.

Het onderzoek heeft een internationaal karakter (acht vertegenwoordigde landen) en een Ierse uitstraling, waarbij de belangrijkste financieringsorganen van laatstgenoemde, zoals de Irish Research Council (IRC) en Science Foundation Ireland, een cruciale rol spelen bij de financiële ondersteuning. Het meest opvallend is SFI's Pharmaceutical Research Centre, SSPC, dat het werk voornamelijk financierde, met bijdragen van het SFI AMBER Center en via het EPSRC-SFI Center voor het op AMBER gebaseerde doctoraatsopleidingsprogramma.

Professor Damian Thompson, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Limerick en directeur van de SSPC, zei: “Als centrum blijven we vooruitgang boeken en nieuwe kennis creëren op het grensvlak tussen materialen en biologie. Dit samenwerkingswerk tussen twee van onze hoofdonderzoekers bij Trinity en RCSI toont de kracht van fundamentele wetenschap om innovatie in de geneeskunde te stimuleren. Hoe beter we naar het cel-moleculaire grensvlak kijken, en nog belangrijker, hoe beter we in realtime kunnen zien hoe moleculen zich van plaats naar plaats verspreiden binnen de nanomachines van de cel, hoe dichter we bij het verwezenlijken van Richard Feynmans droom komen om alles te begrijpen. levende organismen doen dat, door de vibratie en vibratie van atomen.

“Maar pas onlangs beschikken onderzoekers over voldoende experimentele en computationele middelen om deze bewegingen en trillingen in complexe biologische omgevingen te volgen. Dit opwindende nieuwe werk demonstreert meer specifieke, contrastrijke beeldvorming van subcellulaire dynamiek, wat onderzoekers op hun beurt in staat zal stellen effectievere medicijnen te ontwikkelen.” formuleringen met minder bijwerkingen.” .

Professor Donal O'Shea, die toezicht hield op het onderzoek, is een expert op het gebied van celbeeldvorming, gevestigd bij de afdeling Scheikunde van RCSI en het Super-Resolution Imaging Consortium (gefinancierd door de Science Foundation of Ireland, SFI). Hij voegde eraan toe: “Ons gebruik van FLIM om dynamische AIE-interacties met levende cellen te volgen is een aanpak die brede toepasbaarheid zou kunnen hebben op andere fluorofoorsystemen waardoor eerder verborgen inzichten kunnen worden verkregen.”

Referentie: “Tijdopgeloste fluorescentiebeeldvorming met behulp van kleurveranderende AIE-nanodeeltjes, “aan/aan”” door Adam F. Henwood, Niamh Curtin, Sandra Estalayo-Adrián, Aramballi J. Savyasachi, Tómas A. Gudmundsson, 1 juni. Lovett, L. Constance Sigurvinsson, Hannah L. Dalton, Chris S. Howes, Denis Jacquemin, Donal F. O'Shea, Thorvenor Gunnlaugsson, 1 december 2023, Scheikunde.
DOI: 10.1016/j.chempr.2023.10.001

De studie werd gefinancierd door de Irish Research Council en de Irish Science Foundation.