Kernen zijn complex, goed gedefinieerde organellen die genetische informatie dragen die essentieel is voor de cel. Het visualiseren van deze organellen door middel van fluorescentiebeeldvormingstechnieken belooft de mechanismen te onthullen die genetische informatie regelen en manieren te bieden om genetische ziekten te voorspellen en te behandelen. In nauwe samenwerking met Xinhai Zhang van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, een onderzoeksteam onder leiding van Bin Liu van de National University of Singapore heeft nu een methode ontwikkeld om ultrakleine, zeer selectieve fluorescerende nanosondes voor een cellulaire kernbeeldvormingstechniek die bekend staat als twee-foton-geëxciteerde fluorescentie (TPEF) microscopie.

Onderzoekers hebben een aantal fluorescerende stoffen voorgesteld om kernen in cellen te verlichten. Echter, door licht veroorzaakte verschijnselen, zoals cellulaire autofluorescentie en ernstige fotoschade, hebben de neiging om de prestaties van deze sondes te verminderen.

Bij de TPEF-techniek elke nanosonde produceert een fluorescerend signaal door niet één maar twee laagenergetische fotonen van nabij-infrarood licht te absorberen. Dit proces met twee fotonen vermindert de effecten van fotoschade en cellulaire autofluorescentie aanzienlijk, terwijl de resolutie wordt verbeterd, waardoor TPEF voordeliger is dan traditionele fluorescentiemicroscopie met één foton.

"TPEF-beeldvorming is krachtiger dan beeldvorming met één foton, in het bijzonder voor in vivo en weefselbeeldvorming waar sterke biologische autofluorescentie bestaat, ’ zegt Zhang.

In plaats van een traditionele stapsgewijze synthese, de onderzoekers kozen voor een 'bottom-up'-benadering om de nanosondes voor hun TPEF-schema te synthetiseren. Deze nanosondes bestaan ​​uit kleine anorganische silicium-zuurstof kooien omgeven door korte positief geladen polymeerketens. Het team verkreeg aparte kooien en kettingen voordat ze ze samenvoegden, en de synthese leent zich goed voor het produceren van TPEF-nanosondes met verschillende lichtemissiekleuren en bio-herkenningsmogelijkheden.

De kleine, stijve kooien vergemakkelijken de opname van de sondes in cellulaire kernen, terwijl de positief geladen en lichtgevoelige ketens bijdragen aan de oplosbaarheid in water en optische eigenschappen. Volgens Liu, deze eigenschappen worden gecombineerd om uiteindelijk TPEF-geschikte oplichtende sondes te produceren.

Het team ontdekte dat de fluorescentie van de sondes aanzienlijk intenser werd bij blootstelling aan nucleïnezuren, zoals dubbelstrengs DNA en RNA. Dit komt omdat de positief geladen sondes stevig binden aan de negatief geladen nucleïnezuren door aantrekkelijke elektrostatische interacties, het verhogen van de micro-omgeving hydrofobiciteit van de sondes en hun fluorescentie. Verder, de sondes kleurden selectief de kernen van borstkanker en gezonde cellen met een lage toxiciteit.

De onderzoekers breiden momenteel hun sondeverzameling uit met andere intracellulaire doeltoepassingen. Ze optimaliseren ook de TPEF-prestaties van de sondes. "Deze nanosondes kunnen nieuwe manieren openen om biologische systemen op een contrastrijke en veilige manier te ondervragen, ’ zegt Zhang.