Gli scienziati del Trinity, in collaborazione con il Royal College of Surgeons in Ireland (RCSI), hanno sviluppato speciali coloranti fluorescenti che cambiano colore che, per la prima volta, possono essere utilizzati per visualizzare simultaneamente più ambienti biologici distinti utilizzando un solo colorante.

Quando questi coloranti sono incapsulati in recipienti di somministrazione, come quelli utilizzati in tecnologie come i vaccini COVID-19, si “accendono” ed emettono luce attraverso un processo chiamato “emissione indotta dall’aggregazione” (AIE). Subito dopo il trasferimento nelle cellule, la loro luce si "spegne" prima di "accendersi" di nuovo una volta che le cellule trasportano i coloranti nelle goccioline lipidiche cellulari.

Poiché la luce proveniente dall'interno delle cellule è di colore diverso e si verifica in una finestra temporale diversa rispetto alla luce proveniente dallo stesso colorante all'interno dei vasi di erogazione, i ricercatori possono utilizzare una tecnica chiamata "fluorescent life imaging" (FLIM) per distinguere tra i due ambienti in tempo reale.

Il lavoro è stato recentemente pubblicato sulla rivista Chem . Nello stesso numero è stato pubblicato anche un articolo di revisione su questo lavoro. Il primo autore, il dottor Adam Henwood, ricercatore senior presso la Scuola di Chimica e con sede presso il Trinity Biomedical Sciences Institute (TBSI), ha lavorato a questo progetto con il dottorato. studentessa Connie Sigurvinsson.

Il dottor Henwood ha spiegato:"Il bioimaging si basa su coloranti 'on/off' in cui i coloranti emettono luce solo in una serie di condizioni ma sono altrimenti spenti. Questo è estremamente utile, ma significa che puoi guardare solo un posto alla volta." un po' di tempo sotto il microscopio La parte interessante di questo lavoro è che i nostri coloranti raggiungono un punto ottimale che conferisce loro proprietà distintive di accensione/spegnimento/accensione e, cosa fondamentale, possiamo sia osservare che differenziare questi diversi stati "accesi".

"Quindi entrambi vediamo di più e vediamo meglio di prima. Lo facciamo cronometrando il tempo impiegato dalla luce proveniente dai nostri campioni per raggiungere il microscopio:la luce proveniente dai vasi di consegna impiega leggermente più tempo della luce proveniente dall'interno delle cellule. Raccogliendo abbastanza segnali luminosi, possiamo utilizzare queste informazioni per creare rapidamente immagini 3D precise dei due diversi ambienti di tintura. Le differenze temporali sono piccole, solo pochi miliardesimi di secondo in ogni caso, ma il nostro metodo è abbastanza sensibile da catturarle. "

Questa qualità unica significa che i coloranti potrebbero avere una vasta gamma di applicazioni e, ad esempio, avere il potenziale per rivoluzionare gli approcci di biosensing e imaging.

Poiché questi coloranti possono aiutare gli scienziati a mappare le strutture complesse all'interno delle cellule viventi con un contrasto e una specificità così elevati, potrebbero aiutare a chiarire come i farmaci vengono assorbiti e metabolizzati dalle cellule o consentire agli scienziati di progettare e condurre una serie di nuovi esperimenti per migliorare la nostra comprensione di il complesso funzionamento interno delle cellule e il loro importantissimo macchinario biochimico.

Nell'articolo della rivista, gli scienziati si sono concentrati sull'uso dei coloranti per ottenere l'immagine delle goccioline di lipidi cellulari (grasso), che sono un esempio di importanti "organelli" che compongono le cellule viventi nella maggior parte degli organismi complessi (come noi umani).

Le goccioline lipidiche, una volta considerate semplici “serbatoi di grasso”, si ritiene ora svolgano un ruolo importante nella regolazione del metabolismo cellulare, nel coordinamento dell’assorbimento, della distribuzione, della conservazione e dell’uso dei lipidi nelle cellule. A causa di questa crescente comprensione della loro importanza e poiché cambiamenti improvvisi nella loro attività spesso indicano stress cellulare, costituiscono un utile scenario di prova per i coloranti. Una potenziale strada per ulteriori ricerche è vedere se il team può colpire altri importanti organelli cellulari con i loro coloranti.

Thorfinnur Gunnlaugsson, professore di chimica presso la Scuola di Chimica del Trinity e con sede a TBSI, è l'autore senior dell'articolo. Ha detto:"Essere in grado di monitorare la funzione cellulare o il flusso di molecole o candidati farmaci all'interno delle cellule osservando diversi colori di emissione di fluorescenza è estremamente interessante. La svolta qui è che possiamo risolvere e utilizzare la differenza nella loro durata di fluorescenza per identificare questi stessi sonde all'interno di diversi ambienti cellulari in modo rapido e accurato, permettendoci letteralmente di mappare il loro colorato "viaggio nel tempo" all'interno delle cellule.

"La cosa più interessante, tuttavia, è che questo fenomeno non è applicabile solo all'imaging cellulare. Questi risultati aprono nuove possibilità in tutto, dallo studio della biologia chimica, come abbiamo mostrato qui, a molte altre applicazioni mediche e persino nella generazione di nuovi sistemi funzionali". materiali da utilizzare oltre la biologia. Qualsiasi materiale molecolare o nano che richieda un movimento molecolare controllato può in linea di principio essere mappato e messo a punto utilizzando il nostro nuovo metodo."

Ed infatti è qui che gli autori intendono gettare la rete in lungo e in largo. Prevedono molte nuove possibilità per questi coloranti, indicando la loro eccezionale sensibilità come attraente per lo sviluppo di sensori di inquinanti ambientali pericolosi o utilizzando le loro proprietà luminose e di emissione di luce per alimentare trasformazioni chimiche, analoghe alla fotosintesi della natura.

Il Prof. Damien Thompson, professore di fisica all'Università di Limerick e direttore dell'SSPC, ha dichiarato:"Come centro, continuiamo a spingerci avanti e a creare nuova conoscenza nell'interfaccia tra materiali e biologia. Questo lavoro di collaborazione tra due dei nostri principali ricercatori al Trinity e all'RCSI mette in mostra il potere della scienza fondamentale nel promuovere l'innovazione in medicina.

"Più guardiamo da vicino l'interfaccia molecola-cellula, e soprattutto, meglio possiamo vedere, in tempo reale, come le molecole si diffondono da un posto all'altro all'interno dei nanomacchinari cellulari, più ci avviciniamo alla realizzazione del sogno di Richard Feynman di comprendere tutto ciò che gli esseri viventi si muovono dal dimenarsi e dall'oscillare degli atomi.

"Ma solo di recente i ricercatori hanno avuto risorse sperimentali e computazionali sufficienti per tracciare questi movimenti e vibrazioni in ambienti biologici complessi. Questo nuovo entusiasmante lavoro dimostra un imaging più specifico e ad alto contrasto delle dinamiche subcellulari, che a sua volta consentirà ai ricercatori di sviluppare formulazioni farmaceutiche più efficaci con effetti collaterali ridotti."

Il professor Donal O'Shea, che ha supervisionato l'indagine, è un esperto di imaging cellulare presso il Dipartimento di Chimica e Consorzio di Imaging Super-Resolution dell'RCSI. Ha aggiunto:"Il nostro utilizzo di FLIM per tracciare le interazioni dinamiche dell'AIE con le cellule viventi è un approccio che può avere un'ampia applicabilità per altri sistemi di fluorofori consentendo di ottenere informazioni precedentemente nascoste."

Ulteriori informazioni: Adam F. Henwood et al, Imaging a fluorescenza risolta nel tempo con nanoparticelle AIE "accendi/accendi" che cambiano colore, Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.10.001

Qiang Cai et al, Avanzamento dell'imaging a fluorescenza con nanoparticelle AIE a doppia modalità, Chem (2024). DOI:10.1016/j.chempr.2024.01.010

Informazioni sul giornale: Chimica

Fornito dal Trinity College Dublin