De biologische techniek van 'optogenetica' gebruikt licht om cellen in levende weefsels te controleren die genetisch gemodificeerd zijn om lichtgevoelig te zijn. Echter, er is beperkte controle over dit soort processen, omdat het licht meerdere genen tegelijk kan activeren, en diep doordringend licht is vaak nodig om de genen in levende weefsels te bereiken.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van NUS hebben een methode ontwikkeld om dit proces meer controle te geven, door gebruik te maken van speciaal ontworpen nanodeeltjes en nanoclusters (genaamd 'superballs'). Deze nanodeeltjes en superballen kunnen verschillende kleuren licht uitstralen wanneer ze worden geëxciteerd door lasers met verschillende golflengten. Deze verschillende kleuren licht kunnen vervolgens worden gebruikt om specifieke biologische processen op gang te brengen.

Om lichtgevoelige genen te activeren, het team onder leiding van professor Zhang Yong van NUS Biomedical Engineering gebruikte de nanodeeltjes en superballen om nabij-infrarood (NIR) licht te 'upconverteren' naar hogere energieën van zichtbaar licht. Omdat NIR-licht diep doordringt, deze benadering kan voor veel diepgewortelde weefselbehandelingen worden gebruikt.

Nanodeeltjes om de hartslag te regelen

Prof Zhang en zijn team vonden nieuwe nanodeeltjes uit die rood of groen licht uitstralen. afhankelijk van de golflengte van de NIR-straling die wordt gebruikt om ze te exciteren. De nanodeeltjes stralen rood licht uit wanneer ze worden geëxciteerd door een laserstraal met een golflengte van 980 nanometer, en groen licht wanneer de golflengte van de laserstraal wordt verminderd tot 808 nanometer.

Naast twee verschillende kleuren, het licht van deze nanodeeltjes kan worden gebruikt voor bidirectionele activering. Dit is anders dan de huidige optogenetische therapieën die gebruik maken van nanodeeltjes, die alleen op een monodirectionele manier kan worden geactiveerd. "Als zodanig, we kunnen een biologisch proces ingewikkeld manipuleren, of enkele stappen in het proces, in verschillende richtingen of programmatisch, " legde prof Zhang uit.

De onderzoekers toonden aan dat het mogelijk was om met deze deeltjes de hartslag in gemodificeerde hartspiercellen te regelen. Door twee door licht geactiveerde kanalen, bekend als Jaws en VChR1 in dezelfde cel, optisch aan te sturen, ze waren in staat om de snelheid van de hartslag te veranderen. Het rode licht vertraagde de hartslag, en het groene licht versnelde het.

Deze nanodeeltjes bestaan ​​uit een binnenkern die rijk is aan erbium, omgeven door lagen van met ytterbium en neodymium gedoteerde materialen. "Voor het genereren van dergelijke orthogonale fluorescentie-emissies, we moeten meestal meerdere lanthanide-ionen in de nanokristallen dopen. In onze studie, dit wordt bereikt door slechts één ion te gebruiken." Deze innovatie van de onderzoekers zorgt ervoor dat de orthogonale emissies allemaal afkomstig zijn van erbium-ionen.

Met betrekking tot deze materiële doorbraak en toepassingsinnovatie, Prof Zhang zei:"Deze demonstratie is een grote stap voorwaarts in de richting van programmeerbare multidirectionele trajectcontrole, en biedt ook intrigerende mogelijkheden voor toepassingen in vele andere synergetisch interactieve biologische processen zoals diagnostiek en therapieën."

De resultaten van deze studie zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie op 27 september 2019 en werden op 4 oktober 2019 gerapporteerd als Research Highlight.

Superballs om geneesmiddelen tegen kanker te activeren

Naast de nieuwe nanodeeltjes, Prof Zhang en zijn team hebben onlangs clusters van twee verschillende nanodeeltjes gesynthetiseerd die ze 'superballen' noemden. Op een vergelijkbare manier als de nieuwe nanodeeltjes, deze superballen zenden verschillend gekleurd licht uit wanneer ze worden geëxciteerd met verschillende golflengten van NIR-straling. Ze stralen rood licht uit wanneer ze worden geëxciteerd door een laserstraal met een golflengte van 980 nanometer, en UV/blauw licht wanneer de golflengte van de laserstraal wordt verminderd tot 808 nanometer.

Deze nieuwe superballen werden vervolgens gebruikt om een ​​fotodynamische kankerbehandelingsprocedure te verbeteren.

Toen de superballen energetisch werden opgewonden om rood licht uit te stralen, ze waren in staat om een ​​cel binnen te gaan. Volgende, ze waren opgewonden om UV / blauw licht uit te stralen om de gevoeligheid van de cel voor reactieve zuurstofsoorten te vergroten. Eindelijk, ze waren opgewonden om opnieuw rood licht uit te stralen om lichtgevoelige medicijnen te activeren om reactieve zuurstofsoorten te produceren. Deze reactieve zuurstofsoorten kunnen vervolgens het doden van tumorcellen induceren.

Met deze onderzoeksdoorbraak hebben de NUS-wetenschappers een eenvoudige, gebruiksvriendelijke methode voor het synthetiseren van deze superballen. De vorm, grootte en zelfs de excitatie-/emissiegolflengten van de superballen kunnen worden aangepast afhankelijk van de benodigde toepassing.

De resultaten van dit onderzoek zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 8 oktober 2019.

Volgende stappen

De toepassingen van deze nanodeeltjes en superballen zijn talrijk. "Dit zal interessant zijn voor biologen en clinici op verschillende gebieden, vooral degenen die aan fototherapie werken, inclusief fotodynamische therapie, fotothermische therapie, licht gecontroleerde medicijn/gen levering, en optogenetica, " zei Prof Zhang

Voor de volgende onderzoeksfasen, Prof Zhang legde uit, "Uiteindelijk, het doel van dit project is om draadloze elektronica samen met nanodeeltjes te gebruiken voor verbeterde fotodynamische therapieën die grote tumoren in diepe weefsels kunnen behandelen." de onderzoekers zullen op dit gebied nieuwe materialen blijven ontwikkelen en innovatieve toepassingen bedenken.