Forskere udvikler farveskiftende farvestoffer, der lyser op cellulær aktivitet

Forskere fra Trinity har i samarbejde med Royal College of Surgeons in Ireland (RCSI) udviklet specielle fluorescerende, farveændrende farvestoffer, der for første gang kan bruges til samtidigt at visualisere flere forskellige biologiske miljøer med kun ét enkelt farvestof.

Når disse farvestoffer er indkapslet i leveringsbeholdere, som dem, der bruges i teknologier som COVID-19-vaccinerne, "tænder de" og udsender lys via en proces kaldet "aggregationsinduceret emission" (AIE). Kort efter levering til cellerne "slukker" deres lys, før de "tænder" igen, når cellerne overfører farvestofferne til cellulære lipiddråber.

Fordi lyset, der kommer inde fra cellerne, har en anden farve og forekommer inden for et andet tidsvindue end lyset, der kommer fra det samme farvestof inde i leveringskarrene, kan forskerne bruge en teknik kaldet "fluorescenslivstidsbilleddannelse" (FLIM) til at skelne mellem de to miljøer i realtid.

Værket blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Chem . En oversigtsartikel om dette arbejde blev også publiceret i samme nummer. Første forfatter, Dr. Adam Henwood, seniorforsker ved School of Chemistry og baseret på Trinity Biomedical Sciences Institute (TBSI), arbejdede på dette design med Ph.D. elev Connie Sigurvinsson.

Dr. Henwood forklarede, "Bioimaging er afhængig af 'tænd/sluk' farvestoffer, hvor farvestofferne kun udsender lys under ét sæt forhold, men ellers er slukket. Dette er yderst nyttigt, men det betyder, at du kun kan se ét sted på en tid under dit lup. Det spændende ved dette arbejde er, at vores farvestoffer rammer et sødt punkt, der giver dem karakteristiske tænd/sluk/tænd-egenskaber, og det er afgørende, at vi både kan observere og differentiere disse forskellige "på"-tilstande.

"Så vi både ser mere og ser bedre end før. Det gør vi ved at time, hvor lang tid det tager for lyset, der kommer fra vores prøver, at nå mikroskopet:lys fra leveringskarrene tager marginalt mere tid end lys inde fra cellerne. ved at indsamle nok lyssignaler, kan vi bruge denne information til hurtigt at opbygge præcise 3D-billeder af de to forskellige farvestofmiljøer. Tidsforskellene er små - kun et par milliarddele af et sekund på begge måder - men vores metode er følsom nok til at fange den. "

Denne unikke kvalitet betyder, at farvestofferne kan have en enorm række af applikationer og f.eks. rumme potentialet til at revolutionere biosensing og billeddannelsesmetoder.

Fordi disse farvestoffer kan hjælpe videnskabsmænd med at kortlægge de indviklede strukturer i levende celler med så høj kontrast og specificitet, kan de hjælpe med at belyse, hvordan lægemidler optages og metaboliseres af celler eller tillade videnskabsmænd at designe og udføre en række nye eksperimenter for at forbedre vores forståelse af den komplekse indre funktion af celler og deres altafgørende biokemiske maskineri.

I tidsskriftsartiklen fokuserede forskerne på at bruge farvestofferne til at afbilde cellulære lipid (fedt) dråber, som er et eksempel på vigtige "organeller", der udgør levende celler i de fleste komplekse organismer (som os mennesker).

Lipiddråber, der engang blev anset for at være simple "fedtreservoirer", menes nu at spille en vigtig rolle i regulering af cellulær metabolisme, koordinering af lipidoptagelse, distribution, opbevaring og anvendelse i cellerne. På grund af denne voksende forståelse af deres betydning, og fordi pludselige ændringer i deres aktivitet ofte indikerer cellulær stress, tjener de som et nyttigt testscenarie for farvestofferne. En potentiel mulighed for yderligere forskning er at se, om holdet kan målrette mod andre vigtige cellulære organeller med deres farvestoffer.

Thorfinnur Gunnlaugsson, professor i kemi på School of Chemistry at Trinity og baseret i TBSI, er seniorforfatter til artiklen. Han sagde:"At være i stand til at overvåge cellulær funktion eller strømmen af ​​molekyler eller lægemiddelkandidater i celler ved at observere forskellige fluorescens-emissionsfarver er ekstremt attraktivt. Gennembruddet her er, at vi kan løse og bruge forskellen i deres fluorescenslevetider til at identificere disse samme. sonder i forskellige cellulære miljøer på en hurtig og præcis måde, hvilket bogstaveligt talt giver os mulighed for at kortlægge deres farverige 'tidsrejse' i cellerne.

"Det mest spændende er dog, at dette fænomen ikke kun kan anvendes til cellulær billeddannelse. Disse resultater åbner op for nye muligheder inden for alt fra at studere kemisk biologi, som vi har vist her, til mange andre medicinske anvendelser og endda i genereringen af ​​nye funktionelle materialer til brug ud over biologi Ethvert molekylært eller nanomateriale, der kræver kontrolleret molekylær bevægelse, kan i princippet kortlægges og finjusteres ved hjælp af vores nye metode."

Og det er faktisk her, forfatterne har til hensigt at kaste nettet vidt og bredt. De forestiller sig mange nye muligheder for disse farvestoffer, der peger mod deres exceptionelle følsomhed som attraktive til at udvikle sensorer for farlige miljøforurenende stoffer eller bruge deres lyse, lysemitterende egenskaber til at drive kemiske transformationer, analogt med naturens egen fotosyntese.

Prof. Damien Thompson, professor i fysik ved University of Limerick og direktør for SSPC sagde:"Som et center fortsætter vi med at skubbe fremad og skabe ny viden på grænsefladen mellem materialer og biologi. Dette samarbejde mellem to af vores hovedforskere på Trinity og RCSI viser den grundlæggende videnskabs kraft til at drive innovation inden for medicin.

"Jo tættere vi ser på molekyle-celle-grænsefladen, og det er afgørende, jo bedre vi i realtid kan se, hvordan molekyler diffunderer fra sted til sted inde i cellens nanomaskineri, jo tættere kommer vi på at realisere Richard Feynmans drøm om at forstå alt det, der levende ting gør fra atomernes vrikke og slingre.

"Men først for nylig har forskere haft tilstrækkelige eksperimentelle og beregningsmæssige ressourcer til at spore disse bevægelser og vibrationer i komplekse biologiske miljøer. Dette spændende nye arbejde demonstrerer mere specifik billeddannelse med høj kontrast af subcellulær dynamik, som igen vil gøre det muligt for forskere at udvikle mere effektive lægemiddelformuleringer med reducerede bivirkninger."

Professor Donal O'Shea, som overvågede undersøgelsen, er ekspert i cellebilleddannelse baseret i RCSI's Department of Chemistry and Super-Resolution Imaging Consortium. Han tilføjede, "Vores brug af FLIM til at spore dynamiske AIE-interaktioner med levende celler er en tilgang, der kan have bred anvendelighed for andre fluoroforsystemer, hvilket gør det muligt at opnå indsigt, som tidligere var skjult."

Flere oplysninger: Adam F. Henwood et al., Tidsopløst fluorescensbilleddannelse med farveskiftende, "tænd/tænd" AIE nanopartikler, Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.10.001

Qiang Cai et al., Advancing fluorescence imaging med dual-mode AIE nanopartikler, Chem (2024). DOI:10.1016/j.chempr.2024.01.010

Journaloplysninger: Kem

Leveret af Trinity College Dublin