Een toevallig gesprek tussen twee wetenschappers van de Universiteit van Illinois heeft een nieuwe communicatielijn geopend tussen biomedische onderzoekers en de weefsels die ze bestuderen. De nieuwe bevindingen, gerapporteerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , laten zien dat gefocusseerde ultrasone golven met hoge intensiteit biologisch weefsel kunnen binnendringen om moleculen te activeren die specifieke taken kunnen uitvoeren.

Het onderzoek, uitgevoerd in vitro en bij muizen, pakt de uitdagingen aan van niet-invasieve toegang tot diep weefsel voor therapeutische doeleinden zonder permanente schade te veroorzaken. De studie toont met succes het vermogen aan om op verzoek chemische reacties te veroorzaken, op een zeer gerichte manier met behulp van een technologie die al is goedgekeurd voor medisch gebruik.

"In de ruimste zin we proberen op afstand bestuurbare systemen te ontwikkelen die uiteindelijk kunnen worden gebruikt in biomedische toepassingen, " zei koning Li, de decaan van het Carle Illinois College of Medicine, een onderzoeker aan het Beckman Institute for Advanced Science and Technology in Illinois en een co-auteur van een studie.

"Ik kwam erachter dat King geïnteresseerd was in het vinden van een manier om genen op afstand te activeren met behulp van licht - een veld dat optogenetica wordt genoemd, " zei Jeffrey Moore, de directeur van het Beckman Instituut, een professor in de chemie en een co-auteur van een studie. "Dit bood een geweldige kans om hem te vertellen over mijn onderzoek in de chemie en mechanica van synthetische polymeren."

Moore bestudeert synthetische moleculen die mechanoforen worden genoemd en die op kracht reageren door van kleur te veranderen of licht te genereren - iets waarvan hij geloofde dat het de mechanische kracht van een ultrasone golf zou kunnen benutten en een chemische reactie zou kunnen veroorzaken die licht uitstraalt. Het concept is precies wat Li zocht.

Licht kan niet door ondoorzichtig materiaal reizen, maar ultrasone golven - die een goed gedocumenteerd veiligheidsrecord hebben - kunnen, aldus de onderzoekers.

"Licht heeft een beperkt penetratiebereik in ondoorzichtige materialen, inclusief levende weefsels, " zei Li. "De mogelijkheid om ultrageluid te gebruiken om ondoorzichtige materialen binnen te dringen en vervolgens mechanoforen te activeren om diep in deze materialen licht te produceren, zal veel mogelijkheden bieden voor toepassingen zoals genactivering."

Hoewel de onderzoekers met succes hebben aangetoond dat licht op afstand wordt gegenereerd in biologisch weefsel zonder schade te veroorzaken, de intensiteit van dat licht is nog niet genoeg voor optogenetische toepassingen.

"We komen dichterbij, "Zei Moore. "Toen we de studie voltooiden, we zaten binnen ongeveer een factor 10 van de lichtintensiteit die nodig is om genen aan te zetten, maar nu zijn we dichter bij een factor twee."

Het interdisciplinaire team van co-auteurs van de studie, waaronder professor in elektrotechniek en computertechniek Michael Oelze en onderzoekers van het Beckman Instituut, Gun Kim, Vivian Lau en Abigail Halmes, blijft de techniek verfijnen en zoekt naar andere biomedische toepassingen.

"Deze combinatie van gefocusseerde echografie met hoge intensiteit en mechanoforen kan voor veel toepassingen worden gebruikt, en lichte productie is slechts het begin, " zei Li. "We zijn al actief bezig met het verkennen van andere toepassingen."