Uma nova invenção que muda de cor permite “viagem no tempo” dentro das células

Pesquisadores do Trinity College Dublin, em colaboração com o Royal College of Surgeons of Ireland (RCSI), desenvolveram corantes fluorescentes especiais que mudam de cor que podem ser usados, pela primeira vez, para visualizar múltiplos ambientes biológicos distintos simultaneamente com apenas um único agente. . Tingir.

Quando estes corantes são encapsulados em vasos de condução, tais como aqueles utilizados em técnicas, por exemplo COVID-19 As vacinas “ligam” e emitem luz através de um processo denominado “emissão induzida por agregação” (AIE). Pouco depois de chegar às células, a sua luz “desliga-se” antes de “ligar” novamente, uma vez que as células transferem os corantes para as gotículas lipídicas celulares.

Técnicas avançadas de imagem

Como a luz proveniente do interior das células tem uma cor diferente e ocorre durante uma janela de tempo diferente da luz proveniente do mesmo pigmento dentro dos vasos condutores, os pesquisadores podem usar uma técnica chamada imagem de fluorescência ao longo da vida (FLIM) para distinguir entre os dois ambientes em tempo real.

O trabalho foi publicado recentemente na principal revista internacional, Química. O primeiro autor, Dr. Adam Henwood, pesquisador sênior da Escola de Química do Trinity Biomedical Sciences Institute (TBSI), trabalhou neste projeto com a estudante de doutorado Connie Sigurvinsson.

Dr Henwood explicou: “A bioimagem depende de corantes 'ligados/desligados', onde os corantes só emitem luz sob um conjunto de condições, mas são desligados caso contrário. Isto é muito útil, mas significa que você só pode olhar para um lugar de cada vez. .” Sob o microscópio. A parte interessante deste trabalho é que nossos pigmentos atingiram um ponto ideal que lhes confere propriedades liga/desliga/liga distintas e, mais importante, podemos observar e diferenciar esses diferentes estados “ligados”.

“Então, nós dois vemos mais e melhor do que antes. Fazemos isso cronometrando o tempo que a luz de nossas amostras leva para chegar ao microscópio: a luz dos vasos de condução leva um pouco mais de tempo do que a luz do interior das células. Ao coletar luz suficiente sinais “Podemos usar essas informações para construir rapidamente imagens 3D precisas dos dois ambientes de corantes diferentes. As diferenças de tempo são pequenas – apenas alguns bilionésimos de segundo em ambos os casos – mas nosso método é sensível o suficiente para captá-las.”

Esta qualidade única significa que os corantes podem ter uma ampla gama de aplicações e, por exemplo, têm o potencial de revolucionar os métodos de biossensor e de imagem.

Como esses corantes podem ajudar os cientistas a mapear as estruturas complexas dentro das células vivas com alto contraste e especificidade, eles podem ajudar a esclarecer como as células absorvem e metabolizam os medicamentos ou permitir que os cientistas projetem e conduzam uma série de novos experimentos para melhorar nossa compreensão de células. O complexo funcionamento interno das células e seu maquinário bioquímico crucial.

No artigo publicado na revista, os cientistas se concentraram no uso de corantes para obter imagens de gotículas lipídicas celulares, que são um exemplo das importantes “organelas” que constituem as células vivas na maioria dos organismos complexos (como nós, humanos).

Acredita-se que as gotículas lipídicas, anteriormente consideradas simples “depósitos de gordura”, desempenham um papel importante na regulação do metabolismo celular, coordenando a captação, distribuição, armazenamento e utilização de gorduras nas células. Devido a esta crescente compreensão da sua importância, e porque mudanças repentinas na sua actividade muitas vezes indicam stress celular, eles servem como um cenário de teste útil para corantes. Um caminho potencial para futuras pesquisas é ver se a equipe consegue atingir outras organelas celulares importantes com seus corantes.

Thorfinnur Gunnlaugsson, professor de Química na Escola de Química da Trinity University e baseado na TBSI, é o autor principal do artigo. Ele disse:

“A capacidade de monitorar a função celular ou o fluxo de moléculas ou candidatos a medicamentos dentro das células, monitorando diferentes cores de emissão de fluorescência é muito atraente. A inovação aqui é que somos capazes de resolver e usar a variação nos tempos de vida da fluorescência para identificar esses mesmos sensores dentro de diferentes ambientes celulares de maneira rápida e precisa”, disse ele, o que literalmente nos permite mapear a colorida “viagem no tempo” dentro das células.

“Mas o que é ainda mais emocionante é que este fenómeno não se aplica à imagem celular. Estes resultados abrem novas possibilidades em tudo, desde o estudo da biologia química, como mostramos aqui, a muitas outras aplicações médicas e até mesmo na geração de novos materiais funcionais. para uso fora do escopo da biologia.” Qualquer molecular ou nanomaterial que exija movimento molecular controlável pode, em princípio, ser mapeado com precisão e ajustado usando nosso novo método.

Aplicações potenciais e tendências futuras

Na verdade, é aqui que os autores pretendem lançar amplamente a rede. Eles imaginam muitas novas possibilidades para esses corantes, citando sua sensibilidade excepcional como atraente para o desenvolvimento de sensores para poluentes ambientais perigosos ou para usar suas propriedades de emissão de luz brilhante para desencadear transformações químicas, semelhantes às naturais. Fotossíntese.

A investigação tem um carácter internacional (oito países representados) e um toque irlandês, com os principais organismos de financiamento deste último, como o Irish Research Council (IRC) e a Science Foundation Ireland, desempenhando papéis cruciais no apoio financeiro. O mais notável é o Centro de Pesquisa Farmacêutica do SFI, SSPC, que financiou principalmente o trabalho, com contribuições do Centro SFI AMBER e através do Centro EPSRC-SFI para o programa de treinamento de doutorado baseado em AMBER.

O Professor Damian Thompson, Professor de Física da Universidade de Limerick e Diretor do SSPC, disse: “Como centro, continuamos a avançar e a criar novos conhecimentos na interface entre materiais e biologia. Este trabalho colaborativo entre dois dos nossos principais investigadores da Trinity e do RCSI mostra o poder da ciência básica para impulsionar a inovação na medicina. Quanto mais atentamente observarmos a interface célula-molecular e, mais importante, quanto melhor pudermos ver, em tempo real, como as moléculas se espalham de um lugar para outro dentro das nanomáquinas da célula, mais perto estaremos de realizar o sonho de Richard Feynman de compreender tudo. os organismos vivos sim, a partir da vibração e vibração dos átomos.

“Mas só recentemente os pesquisadores tiveram recursos experimentais e computacionais suficientes para rastrear esses movimentos e vibrações em ambientes biológicos complexos. Este novo trabalho emocionante demonstra imagens mais específicas e de alto contraste da dinâmica subcelular, o que por sua vez permitirá aos pesquisadores desenvolver medicamentos mais eficazes formulações com menos efeitos colaterais.” .

O professor Donal O'Shea, que supervisionou a investigação, é especialista em imagens celulares baseado no Departamento de Química do RCSI e no Super-Resolution Imaging Consortium (financiado pela Science Foundation of Ireland, SFI). Ele acrescentou: “Nosso uso do FLIM para rastrear interações dinâmicas de AIE com células vivas é uma abordagem que poderia ter ampla aplicabilidade a outros sistemas de fluoróforos, permitindo a obtenção de insights anteriormente ocultos.”

Referência: “Imagem de fluorescência resolvida no tempo usando nanopartículas AIE que mudam de cor, “on/on”” por Adam F. Henwood, Niamh Curtin, Sandra Estalayo-Adrián, Aramballi J. Savyasachi, Tómas A. Gudmundsson, June I. Lovett, L. Constance Sigurvinsson, Hannah L. Dalton, Chris S. Howes, Denis Jacquemin, Donal F. O'Shea, Thorvenor Gunnlaugsson, 1º de dezembro de 2023, Química.
DOI: 10.1016/j.chempr.2023.10.001

O estudo foi financiado pelo Irish Research Council e pela Irish Science Foundation.