La tecnica biologica dell'"optogenetica" utilizza la luce per controllare le cellule all'interno dei tessuti viventi che sono state geneticamente modificate per essere sensibili alla luce. Però, c'è un controllo limitato di processi come questo, poiché la luce può attivare più geni contemporaneamente, e spesso è necessaria una luce che penetra in profondità per raggiungere i geni nei tessuti viventi.

Ora, i ricercatori di NUS hanno sviluppato un metodo per dare maggiore controllo a questo processo, utilizzando nanoparticelle e nanocluster appositamente progettati (denominati "superballs"). Queste nanoparticelle e supersfere possono emettere diversi colori di luce quando eccitate da laser a diverse lunghezze d'onda. Questi diversi colori della luce possono quindi essere utilizzati per innescare processi biologici specifici.

Per attivare i geni sensibili alla luce, il team guidato dal professor Zhang Yong di NUS Biomedical Engineering ha utilizzato le nanoparticelle e le supersfere per "convertire" la luce del vicino infrarosso (NIR) a energie più elevate della luce visibile. Poiché la luce NIR è profondamente penetrante, questo approccio può essere utilizzato per molti trattamenti dei tessuti profondi.

Nanoparticelle per controllare la frequenza cardiaca

Il professor Zhang e il suo team hanno inventato nuove nanoparticelle che emettono luce rossa o verde, a seconda della lunghezza d'onda della radiazione NIR utilizzata per eccitarli. Le nanoparticelle irradiano luce rossa quando eccitate da un raggio laser con una lunghezza d'onda di 980 nanometri, e luce verde quando la lunghezza d'onda del raggio laser viene ridotta a 808 nanometri.

Oltre ad essere di due colori diversi, la luce emessa da queste nanoparticelle può essere utilizzata per l'attivazione bidirezionale. Questo è diverso dalle attuali terapie optogenetiche che utilizzano nanoparticelle, che può attivarsi solo in modo monodirezionale. "Come tale, possiamo manipolare in modo intricato un processo biologico, o alcune fasi del processo, in direzioni diverse o programmaticamente, " ha spiegato il prof Zhang.

I ricercatori hanno dimostrato che era possibile utilizzare queste particelle per controllare la frequenza del battito nelle cellule del muscolo cardiaco modificate. Controllando otticamente due canali attivati ​​dalla luce noti come Jaws e VChR1 nella stessa cella, erano in grado di alterare la velocità del battito cardiaco. La luce rossa ha rallentato il battito cardiaco, e la luce verde lo ha accelerato.

Queste nanoparticelle sono costituite da un nucleo interno ricco di erbio, circondato da strati di itterbio e materiali drogati con neodimio. "Per generare tali emissioni di fluorescenza ortogonale, di solito abbiamo bisogno di drogare più ioni lantanidi nei nanocristalli. Nel nostro studio, questo si ottiene utilizzando un solo ione." Questa innovazione dei ricercatori garantisce che le emissioni ortogonali provengano tutte da ioni di erbio.

Per quanto riguarda questo materiale innovativo e l'innovazione applicativa, Il professor Zhang ha detto, "Questa dimostrazione rappresenta un importante passo avanti verso il controllo del percorso multidirezionale programmabile, e offre anche interessanti opportunità per applicazioni in molti altri processi biologici sinergicamente interattivi come la diagnostica e le terapie".

I risultati di questo studio sono stati pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura il 27 settembre 2019 e sono stati segnalati come Research Highlight il 4 ottobre 2019.

Superballs per attivare i farmaci antitumorali

Oltre alle nuove nanoparticelle, Il professor Zhang e il suo team hanno recentemente sintetizzato gruppi di due diverse nanoparticelle che hanno chiamato "supersfere". In modo simile alle nuove nanoparticelle, queste supersfere emettono luce di colore diverso quando eccitate con diverse lunghezze d'onda della radiazione NIR. Irradiano luce rossa quando eccitati da un raggio laser con una lunghezza d'onda di 980 nanometri, e luce UV/blu quando la lunghezza d'onda del raggio laser viene ridotta a 808 nanometri.

Queste nuove supersfere sono state quindi utilizzate per migliorare una procedura di trattamento fotodinamico del cancro.

Quando le supersfere erano eccitate energeticamente per irradiare luce rossa, potevano entrare in una cella. Prossimo, erano entusiasti di irradiare luce UV/blu per aumentare la sensibilità delle cellule alle specie reattive dell'ossigeno. Finalmente, erano entusiasti di irradiare di nuovo luce rossa per attivare farmaci fotosensibili per produrre specie reattive dell'ossigeno. Queste specie reattive dell'ossigeno possono quindi indurre l'uccisione delle cellule tumorali.

Con questa svolta della ricerca, gli scienziati del NUS hanno sviluppato un semplice, metodo user-friendly per sintetizzare queste superball. La forma, le dimensioni e anche le lunghezze d'onda di eccitazione/emissione delle supersfere possono essere modificate a seconda dell'applicazione necessaria.

I risultati di questo studio sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura l'8 ottobre 2019.

Prossimi passi

Le applicazioni di queste nanoparticelle e supersfere sono numerose. "Questo sarà di interesse per biologi e clinici in diversi campi, soprattutto quelli che lavorano sulla fototerapia, compresa la terapia fotodinamica, terapia fototermica, somministrazione di farmaci/geni controllati dalla luce, e optogenetica, " ha detto il professor Zhang

Per le prossime fasi della ricerca, Il professor Zhang ha spiegato, "In definitiva, l'obiettivo di questo progetto è utilizzare l'elettronica wireless insieme alle nanoparticelle per terapie fotodinamiche potenziate in grado di trattare tumori di grandi dimensioni nei tessuti profondi". i ricercatori continueranno a sviluppare nuovi materiali e ad inventare applicazioni innovative in questo settore.