Wetenschappers van Trinity hebben in samenwerking met het Royal College of Surgeons in Ireland (RCSI) speciale fluorescerende, kleurveranderende kleurstoffen ontwikkeld die voor het eerst kunnen worden gebruikt om meerdere verschillende biologische omgevingen tegelijkertijd te visualiseren met behulp van slechts één enkele kleurstof.

Wanneer deze kleurstoffen worden ingekapseld in toedieningsvaten, zoals die worden gebruikt in technologieën zoals de COVID-19-vaccins, ‘schakelen ze aan’ en geven ze licht af via een proces dat ‘aggregatie-geïnduceerde emissie’ (AIE) wordt genoemd. Kort nadat ze in de cellen zijn afgeleverd, wordt hun licht "uitgeschakeld" voordat het weer "aangaat" zodra de cellen de kleurstoffen in cellulaire lipidedruppeltjes transporteren.

Omdat het licht dat uit de cellen komt een andere kleur heeft en binnen een ander tijdsvenster optreedt dan het licht dat uit dezelfde kleurstof in de toedieningsvaten komt, kunnen de onderzoekers een techniek gebruiken die 'fluorescentie lifetime imaging' (FLIM) wordt genoemd om onderscheid te maken tussen de twee omgevingen in realtime.

Het werk is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Chem . In hetzelfde nummer verscheen ook een overzichtsartikel over dit werk. Eerste auteur, Dr. Adam Henwood, Senior Research Fellow aan de School of Chemistry en gevestigd aan het Trinity Biomedical Sciences Institute (TBSI), werkte aan dit ontwerp samen met Ph.D. leerling Connie Sigurvinsson.

Dr. Henwood legt uit:"Bioimaging is gebaseerd op 'aan/uit'-kleurstoffen waarbij de kleurstoffen alleen licht uitstralen onder één reeks omstandigheden, maar verder zijn uitgeschakeld. Dit is buitengewoon nuttig, maar het betekent wel dat je maar naar één plek tegelijk kunt kijken. een keer onder de microscoop. Het opwindende aan dit werk is dat onze kleurstoffen een goede plek hebben gevonden waardoor ze onderscheidende aan/uit/aan-eigenschappen krijgen en, cruciaal, we kunnen deze verschillende 'aan'-toestanden zowel observeren als differentiëren.

"Dus we zien allebei meer en zien beter dan voorheen. We doen dit door te timen hoe lang het duurt voordat het licht dat uit onze monsters komt de microscoop bereikt:licht uit de toedieningsvaten heeft iets meer tijd nodig dan licht uit de cellen. Door voldoende lichtsignalen te verzamelen, kunnen we deze informatie gebruiken om snel nauwkeurige 3D-beelden op te bouwen van de twee verschillende kleurstofomgevingen. De tijdsverschillen zijn klein – hoe dan ook slechts een paar miljardsten van een seconde – maar onze methode is gevoelig genoeg om deze vast te leggen. "

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

Omdat deze kleurstoffen wetenschappers kunnen helpen de ingewikkelde structuren in levende cellen met zo’n hoog contrast en specificiteit in kaart te brengen, kunnen ze helpen verhelderen hoe geneesmiddelen door cellen worden opgenomen en gemetaboliseerd, of wetenschappers in staat stellen een reeks nieuwe experimenten te ontwerpen en uit te voeren om ons begrip van de ziekte te verbeteren. de complexe innerlijke werking van cellen en hun uiterst belangrijke biochemische machinerie.

In het tijdschriftartikel concentreerden de wetenschappers zich op het gebruik van de kleurstoffen om cellulaire lipide (vet)druppeltjes in beeld te brengen, wat een voorbeeld is van belangrijke 'organellen' waaruit levende cellen bestaan ​​in de meeste complexe organismen (zoals wij mensen).

Van lipidedruppeltjes, ooit beschouwd als eenvoudige ‘vetreservoirs’, wordt nu aangenomen dat ze een belangrijke rol spelen bij het reguleren van het cellulaire metabolisme en het coördineren van de opname, distributie, opslag en gebruik van lipiden in de cellen. Vanwege dit groeiende inzicht in het belang ervan, en omdat plotselinge veranderingen in hun activiteit vaak wijzen op cellulaire stress, dienen ze als een nuttig testscenario voor de 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 en gevestigd in TBSI, is de hoofdauteur van het artikel. Hij zei:"Het is buitengewoon aantrekkelijk om de cellulaire functie of de stroom van moleculen of kandidaat-geneesmiddelen in cellen te kunnen monitoren door verschillende fluorescentie-emissiekleuren te observeren. De doorbraak hier is dat we het verschil in hun fluorescentielevensduur kunnen oplossen en gebruiken om deze zelfde te identificeren onderzoeken binnen verschillende cellulaire omgevingen op een snelle en nauwkeurige manier, waardoor we letterlijk hun kleurrijke 'tijdreizen' binnen de cellen in kaart kunnen brengen.

“Het meest opwindende is echter dat dit fenomeen niet alleen van toepassing is op cellulaire beeldvorming. Deze resultaten openen nieuwe mogelijkheden in alles, van het bestuderen van de chemische biologie, zoals we hier hebben laten zien, tot vele andere medische toepassingen en zelfs in het genereren van nieuwe functionele materialen voor gebruik buiten de biologie. Elk moleculair of nanomateriaal dat gecontroleerde moleculaire beweging vereist, kan in principe in kaart worden gebracht en verfijnd met behulp van onze nieuwe methode."

En inderdaad, het is hier waar de auteurs van plan zijn het net wijd en zijd uit te werpen. Ze voorzien veel nieuwe mogelijkheden voor deze kleurstoffen, waarbij ze erop wijzen dat hun uitzonderlijke gevoeligheid aantrekkelijk is voor het ontwikkelen van sensoren voor gevaarlijke milieuverontreinigende stoffen of voor het gebruik van hun heldere, lichtgevende eigenschappen om chemische transformaties mogelijk te maken, analoog aan de fotosynthese van de natuur zelf.

Prof. Damien 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 van 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 kijken naar het grensvlak tussen moleculen en cellen, en – cruciaal, hoe beter we in realtime kunnen zien hoe moleculen van de ene plaats naar de andere binnen de nanomachinerie van de cel diffunderen, hoe dichter we bij het verwezenlijken van Richard Feynmans droom komen om alles te begrijpen wat er gebeurt. levende wezens doen dat door het wiebelen en wiebelen van atomen.

"Maar pas onlangs hebben onderzoekers voldoende experimentele en computationele middelen gekregen 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 medicijnformuleringen te ontwikkelen." met minder bijwerkingen."

Professor Donal O'Shea, die toezicht hield op het onderzoek, is een expert op het gebied van celbeeldvorming, gevestigd in het Department of Chemistry and Super-Resolution Imaging Consortium van RCSI. Hij voegde eraan toe:"Ons gebruik van FLIM om dynamische AIE-interacties met levende cellen te volgen, is een aanpak die brede toepasbaarheid kan hebben voor andere fluorofoorsystemen, waardoor inzichten kunnen worden verkregen die voorheen verborgen waren."

Meer informatie: Adam F. Henwood et al, Tijdsopgeloste fluorescentiebeeldvorming met kleurveranderende, "turn-on/turn-on" AIE-nanodeeltjes, Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.10.001

Qiang Cai et al., Verbetering van fluorescentiebeeldvorming met dual-mode AIE-nanodeeltjes, Chem (2024). DOI:10.1016/j.chempr.2024.01.010

Journaalinformatie: Chem

Aangeboden door Trinity College Dublin