absolute controle hebben over de activiteit van een molecuul in een organisme, of beslissen wanneer, waar en hoe een medicijn wordt geactiveerd - dit zijn enkele van de doelen die mogelijk zijn met zogenaamde fotoschakelbare moleculen, verbindingen die hun eigenschappen veranderen in de aanwezigheid van bepaalde lichtgolven. De resultaten van een studie geleid door het Instituut voor Bio-engineering van Catalonië (IBEC) samen met de Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), doelstelling dit een stap dichterbij brengen.

Met behulp van gepulseerde infraroodlichtlasers, wetenschappers hebben moleculen in neuraal weefsel geactiveerd met een efficiëntie van bijna 100 procent. "Het is een ontwikkeling die de deur opent naar een groot aantal toepassingen, inclusief medicijnen die alleen werken op het verlichte punt van het lichaam en daarom vrij zijn van ongewenste bijwerkingen in andere regio's, en de ruimtelijke en temporele controle van elk eiwit waarvan we de functie willen bestuderen in de context van een organisme, " zegt Pau Gorostiza, ICREA-onderzoeksprofessor en hoofd van de Nanoprobes and Nanoswitches Group bij IBEC. De studie is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Zeer nauwkeurige lichtgevoelige schakelaars

Het fotoschakelbare molecuul dat de onderzoekers gebruikten is een nieuwe variant van azobenzeen, een chemische verbinding die in het donker een platte vorm heeft, maar die buigt bij blootstelling aan licht. Fotofarmacologie probeert te profiteren van deze eigenaardige eigenschap om de activiteit van medicijnen te beheersen - een inactief medicijn in combinatie met azobenzeen wordt in het lichaam geïntroduceerd. Het ontwerp van het medicijn laat zijn werking alleen toe wanneer het azobenzeen wordt gebogen. Op deze manier, het medicijn werkt alleen op de punten waar het licht dat azobenzeen stimuleert wordt bestraald, waardoor de bijwerkingen die verband houden met de werking van het medicijn op andere gebieden waar azobenzeen aanwezig is, worden vermeden.

Tot voor kort, technieken op basis van fotoschakelbare moleculen, waarbij gebruik werd gemaakt van lasers met continue golf van violet of blauw licht (stimulatie van één foton) om deze verbindingen te activeren, een methode die het niet mogelijk maakt de stimulus te focaliseren. "We wilden dat het molecuul op een specifiek punt werd geactiveerd, niet langs de hele lichtstraal die we uitstralen. We zagen dat twee-fotonovergangen met gepulseerd infrarood licht dit konden bereiken, maar de efficiëntie was erg laag, en de toepassingen waren beperkt. De moleculen die we nu hebben ontwikkeld, bereiken dit effect met 100 procent efficiëntie. Het is een zeer robuuste en nauwkeurige technologie om neuronale activiteit te manipuleren, " zeiden Jordi Hernando en Ramon Alibés, onderzoekers van de afdeling Scheikunde van de UAB die samen met Josep Mª Lluch en Félix Busqué een deel van dit werk hebben begeleid.

Onderzoekers hebben de effectiviteit van de techniek bewezen op muisneuronen en in een diermodel voor de studie van neuronale circuits, de Caenorhabditis elegans-worm. "Ondanks dat de cellen in een neuronaal weefsel heel dicht bij elkaar liggen, we zijn erin geslaagd om die te selecteren waarin we het fotoschakelbare molecuul wilden activeren."

Stimulatie via twee-fotonabsorptie, voorspeld door Maria Göppert-Mayer en gedemonstreerd met behulp van de gepulseerde lasers ontwikkeld door de winnaars van de Nobelprijs voor natuurkunde in 2018, Donna Strickland en Gerard Mourou, heeft een revolutie betekend voor de visualisatie en manipulatie van neuronale activiteit.

De resultaten van deze ontwikkeling openen de deur naar nieuwe onderzoekslijnen op moleculair gebied. Met de beschreven techniek wetenschappers zullen ongekende spatiotemporele controle hebben over elk fotoschakelbaar molecuul dat ze willen onderzoeken.