En lysfølsom forbindelse muliggør varmefri membranmodulering i fotoswitches

Optiske teknologier, der kan bruges til at modulere neuronal aktivitet, åbner spændende muligheder for forskning inden for neurovidenskab og biologi. Optiske værktøjer giver neuroforskere mulighed for at ophidse og hæmme neuroner eller områder af hjernen efter eget ønske. De kan således bruges til at undersøge funktionen af ​​specifikke hjernekredsløb eller regioner, samt at identificere nye potentielle behandlinger for neurologiske og psykiatriske sygdomme.

Genereringen af ​​forbundne azobenzen-fotoswitches målrettet mod membran-dobbeltlag eller knyttet til ionkanaler er en banebrydende optisk teknik, der yderligere kunne hjælpe med studiet af den menneskelige hjerne. Denne teknik, imidlertid, især når det implementeres ved høje lysintensiteter, kan føre til en betydelig temperaturstigning og kan dermed være skadelig for neuroner, når den bruges gentagne gange.

For at overvinde denne begrænsning, forskere ved det italienske teknologiske institut (IIT) i samarbejde med Politecnico di Milano, har for nylig skabt en ny lysfølsom azobenzenforbindelse, døbt Ziapin2, som kan bruges til at bygge fotoswitches, der ikke stiger i temperatur, når de bestråles med synligt lys. Denne nye forbindelse, introduceret i et papir udgivet i Natur nanoteknologi , skiller sig ind i plasmamembranen med høj stabilitet, muliggør dets udtynding og en øget kapacitans ved en stabil tilstand.

"Vores undersøgelse var inspireret (eller bio-inspireret) af to observationer, "Guglielmo Lanzani, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte TechXplore. "Den første er, at naturen i det store og hele fanger lys i levende celler ved hjælp af fotokromiske molekyler (f.eks. retinal i nethindens fotoreceptorer). Den anden er, at forstyrrelse af neuronmembranen og især en ændring i elektrisk kapacitans (evnen til at lagre ladninger) fører til celle excitation, som observeret ved at opvarme cellen."

Fotokromiske molekyler, såsom azobenzenforbindelsen udviklet af Chiara Bertarelli, Guglielmo Lanzani og Fabio Benfenati, kan ændre form efter at de absorberer lys. Denne ændring påvirker også nogle af deres egenskaber, inklusive deres steriske hindring (dvs. den volumen de optager), farve og elektriske egenskaber.

Når det påføres en membran, denne egenskab gør det muligt for fotokrome molekyler at fungere som mekaniske kontakter eller fjedre, modulering af membranens tykkelse ved at absorbere lys og dermed ændre dens elektriske kapacitans. Dette muliggør igen en række fænomener, i sidste ende fører til et aktionspotentiale i neuroner.

"De metoder, der blev brugt i vores undersøgelse, gjorde det muligt for os at opnå en ikke-termisk stimuleringsmekanisme til at inducere lysfølsomhed i levende celler og væv, "Lanzani forklarede. "Vores tilgang er også ikke-genetisk (undgår genterapi) og ikke-kovalent (undgår permanente kemiske modifikationer af cellen). Med andre ord, det er et minimalt invasivt værktøj."

Da de påførte millisekunders pulser af synligt lys til neuroner fyldt med den forbindelse, de skabte, Benfenati, Lanzani og deres kolleger observerede en resulterende forbigående hyperpolarisering, kort efterfulgt af en forsinket depolarisering, der i sidste ende udløste affyring af aktionspotentialer. Disse virkninger viste sig at være vedvarende, og forskerne var i stand til at fremkalde dem in vivo i op til 7 dage i træk.

"Hovedresultatet af vores undersøgelse er, at vi var i stand til at stimulere neuroner uden optogenetiske manipulationer og uden at interferere direkte med membranionkanaler, Benfenati fortalte TechXplore. "Vi gjorde dette blot ved at fremkalde en forbigående deformation af membranen, der gør neuroner elektrisk mere stabile i mørke og frigives under lysstimulering, fremkalder aktionspotentiale affyring."

Ziapin2, forbindelsen introduceret af Lanzani, Benfenati, Bertarelli og deres kolleger, muliggør modulering af membranens elektriske kapacitans i millisekunders tidsskala, uden at forårsage ændringer i temperaturen. I fremtiden, det kunne bruges til at udvikle fotoswitches til neurovidenskabelig forskning, der er mindre skadelige for neuroner.

"Vores planer for yderligere forskning er todelt, " sagde Benfenati. "På den ene side, vi planlægger at øge anvendelsen af ​​Ziapin til at excitere retinale kredsløb i eksperimentelle modeller for nethindegeneration eller udfordring af syge hjernekredsløb. På den anden side, vi leder efter Ziapin-varianter, der er mere vandopløselige (og dermed kan administreres mere sikkert), og som forbliver i membranen i længere tid."

© 2020 Science X Network