Optische technologieën die kunnen worden gebruikt om neuronale activiteit te moduleren, openen spannende mogelijkheden voor onderzoek in neurowetenschappen en biologie. Optische hulpmiddelen stellen neurowetenschappers in staat om naar believen neuronen of hersengebieden te prikkelen en te remmen. Ze kunnen dus worden gebruikt om de functie van specifieke hersencircuits of regio's te onderzoeken, en om nieuwe potentiële behandelingen voor neurologische en psychiatrische ziekten te identificeren.

Het genereren van gekoppelde azobenzeen-fotoschakelaars gericht op membraandubbellagen of gekoppeld aan ionenkanalen is een baanbrekende optische techniek die de studie van het menselijk brein verder zou kunnen helpen. Deze techniek, echter, vooral wanneer geïmplementeerd bij hoge lichtintensiteiten, kan leiden tot een aanzienlijke temperatuurstijging en kan dus schadelijk zijn voor neuronen bij herhaald gebruik.

Om deze beperking te overwinnen, onderzoekers van het Italiaanse Instituut voor Technologie (IIT) in samenwerking met Politecnico di Milano, hebben onlangs een nieuwe lichtgevoelige azobenzeenverbinding gecreëerd, genaamd Ziapin2, die kunnen worden gebruikt om fotoschakelaars te bouwen die niet in temperatuur stijgen wanneer ze worden bestraald met zichtbaar licht. Deze nieuwe verbinding, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , partities in het plasmamembraan met een hoge stabiliteit, waardoor het dunner en een verhoogde capaciteit bij een stabiele toestand.

"Onze studie werd geïnspireerd (of bio-geïnspireerd) door twee observaties, "Guglielmo Lanzani, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde TechXplore. "De eerste is dat de natuur over het algemeen licht vangt in levende cellen met behulp van fotochrome moleculen (bijv. Retina in retina-fotoreceptoren). De tweede is dat verstoring van het neuronmembraan en met name een verandering in elektrische capaciteit (het vermogen om ladingen op te slaan) leidt tot cel excitatie, zoals waargenomen door de cel op te warmen."

Fotochrome moleculen, zoals de azobenzeenverbinding ontwikkeld door Chiara Bertarelli, Guglielmo Lanzani en Fabio Benfenati, kunnen van vorm veranderen nadat ze licht hebben geabsorbeerd. Deze verandering heeft ook invloed op sommige van hun eigenschappen, inclusief hun sterische belemmering (d.w.z. het volume dat ze innemen), kleur en elektrische eigenschappen.

Wanneer aangebracht op een membraan, door deze eigenschap kunnen fotochrome moleculen fungeren als mechanische schakelaars of veren, het moduleren van de dikte van het membraan bij het absorberen van licht en dus het veranderen van de elektrische capaciteit. Dit maakt op zijn beurt een reeks verschijnselen mogelijk, uiteindelijk leidend tot een actiepotentiaal in neuronen.

"De methoden die in onze studie werden gebruikt, stelden ons in staat een niet-thermisch stimulatiemechanisme te verkrijgen voor het induceren van lichtgevoeligheid in levende cellen en weefsel, " verklaarde Lanzani. "Onze benadering is ook niet-genetisch (vermijdt gentherapie) en niet-covalent (vermijdt permanente chemische modificaties van de cel). Met andere woorden, het is een minimaal invasieve tool."

Toen ze milliseconde pulsen van zichtbaar licht toepasten op neuronen die geladen waren met de verbinding die ze creëerden, Benfenati, Lanzani en hun collega's observeerden een resulterende voorbijgaande hyperpolarisatie, kort gevolgd door een vertraagde depolarisatie die uiteindelijk leidde tot het afvuren van actiepotentialen. Deze effecten bleken aanhoudend en de onderzoekers konden ze tot 7 dagen achter elkaar in vivo opwekken.

"De belangrijkste prestatie van onze studie is dat we neuronen konden stimuleren zonder optogenetische manipulaties en zonder direct te interfereren met membraanionkanalen, " vertelde Benfenati aan TechXplore. "We hebben dit alleen gedaan door een tijdelijke vervorming van het membraan te veroorzaken die neuronen elektrisch stabieler maakt in het donker en wordt vrijgegeven onder lichtstimulatie, oproept actiepotentiaal vuren."

Ziapin2, de verbinding geïntroduceerd door Lanzani, Benfenati, Bertarelli en hun collega's, maakt de modulatie van de elektrische capaciteit van het membraan in de milliseconde tijdschaal mogelijk, zonder temperatuurveranderingen te veroorzaken. In de toekomst, het zou kunnen worden gebruikt om fotoschakelaars te ontwikkelen voor neurowetenschappelijk onderzoek die minder schadelijk zijn voor neuronen.

"Onze plannen voor verder onderzoek zijn tweeledig, "Zei Benfenati. "Aan de ene kant, we zijn van plan om de toepassing van Ziapin te stimuleren om retinale circuits te prikkelen in experimentele modellen van retinadegeneratie of om zieke hersencircuits uit te dagen. Aan de andere kant, we zoeken naar varianten van ziapin die beter in water oplosbaar zijn (en dus veiliger kunnen worden toegediend) en die langer in het membraan blijven."

© 2020 Wetenschap X Netwerk