Investigadores del Trinity College Dublin, en colaboración con el Royal College of Surgeons de Irlanda (RCSI), han desarrollado tintes fluorescentes especiales que cambian de color que, por primera vez, pueden utilizarse para visualizar simultáneamente múltiples entornos biológicos distintos utilizando un solo singular. teñir.

Cuando estos tintes se encapsulan en contenedores de entrega, como los utilizados en tecnologías como COVID-19 En las vacunas, se “iluminan” y emiten luz mediante un proceso llamado emisión inducida por agregación (AIE). Poco después de su introducción en las células, su luz «se apaga» antes de «volverse a encender» una vez que las células transportan los tintes en gotitas de lípidos celulares.

Técnicas de imagen avanzadas

Debido a que la luz que proviene del interior de las células es de un color diferente y se produce en una ventana de tiempo diferente a la luz que proviene del mismo tinte dentro de los vasos sanguíneos, los investigadores pueden utilizar una técnica llamada «Imagen de vida útil de fluorescencia» (FLIM) para distinguir entre los dos entornos en condiciones reales. tiempo.

El trabajo fue publicado recientemente en la principal revista internacional, Químico. El primer autor, el Dr. Adam Henwood, investigador principal de la Facultad de Química y del Trinity Biomedical Sciences Institute (TBSI), trabajó en este diseño con la estudiante de doctorado Connie Sigurvinsson.

El Dr. Henwood explicó: “La bioimagen se basa en tintes ‘encendidos/apagados’ en los que los tintes sólo emiten luz bajo un conjunto de condiciones, pero por lo demás se apagan. Esto es extremadamente útil, pero significa que solo puedes mirar un lugar a la vez bajo el microscopio. Lo interesante de este trabajo es que nuestros tintes alcanzan un punto óptimo que les otorga propiedades distintivas de encendido/apagado/encendido y, lo que es más importante, podemos observar y diferenciar entre estos diferentes estados «encendidos».

“Así que ambos vemos más y mejor que antes. Para hacer esto, cronometramos el tiempo que tarda la luz de nuestras muestras en llegar al microscopio: la luz de los contenedores de entrega tarda un poco más que la luz del interior de las células. Al recopilar suficientes señales de luz, podemos utilizar esta información para crear rápidamente imágenes 3D precisas de los dos entornos de tinte diferentes. Las diferencias temporales son pequeñas (unas pocas milmillonésimas de segundo en ambos casos), pero nuestro método es lo suficientemente sensible como para capturarlas.

Esta cualidad única significa que los tintes podrían tener una amplia gama de aplicaciones y, por ejemplo, tener el potencial de revolucionar los enfoques de biodetección e imágenes.

Cambios en la luminiscencia del mismo tinte, pasando del disolvente orgánico puro, izquierda, al agua, derecha. Crédito: Dr. Adam Henwood, Trinity College Dublin

Debido a que estos tintes pueden ayudar a los científicos a mapear estructuras complejas dentro de las células vivas con un contraste y especificidad tan altos, podrían ayudar a comprender cómo las células absorben y metabolizan los medicamentos o permitir a los científicos diseñar y realizar una serie de nuevos experimentos para comprender mejor. el complejo funcionamiento interno de las células y su muy importante maquinaria bioquímica.

En el artículo publicado en la revista, los científicos se centraron en el uso de tintes para obtener imágenes de gotitas de lípidos (grasa) celulares, que son un ejemplo de «orgánulos» importantes que forman las células vivas de la mayoría de los organismos complejos (como nosotros los humanos).

Ahora se cree que las gotitas de lípidos, que alguna vez se consideraron simples «depósitos de grasa», desempeñan un papel importante en la regulación del metabolismo celular, coordinando la absorción, distribución, almacenamiento y utilización de los lípidos dentro de las células. Debido a esta creciente comprensión de su importancia y al hecho de que los cambios repentinos en su actividad a menudo indican estrés celular, proporcionan un escenario de prueba útil para los tintes. Una posible vía para futuras investigaciones es ver si el equipo puede apuntar a otros orgánulos celulares importantes con sus tintes.

Thorfinnur Gunnlaugsson, profesor de química en la Trinity School of Chemistry y con base en TBSI, es el autor principal del artículo. Dijo:

“Poder monitorear la función celular o el flujo de moléculas o candidatos a fármacos dentro de las células mediante la observación de diferentes colores de emisión de fluorescencia es extremadamente atractivo. El gran avance aquí es que podemos resolver y utilizar la diferencia en sus tiempos de vida de fluorescencia para identificar estas mismas sondas en diferentes entornos celulares de forma rápida y precisa, permitiéndonos literalmente mapear su colorido «viaje en el tiempo» dentro de las células.

“Sin embargo, lo más interesante es que este fenómeno no se aplica a las imágenes celulares. Estos resultados abren nuevas posibilidades en todo, desde el estudio de la biología química, como hemos mostrado aquí, hasta muchas otras aplicaciones médicas e incluso en la generación de nuevos materiales funcionales para su uso más allá de la biología. En principio, cualquier material molecular o nanomaterial que requiera un movimiento molecular controlado puede mapearse y refinarse utilizando nuestro nuevo método.

Aplicaciones potenciales y direcciones futuras.

Y aquí es precisamente donde los autores pretenden lanzar una amplia red. Visualizan muchas posibilidades nuevas para estos tintes, y señalan que su excepcional sensibilidad es de interés para desarrollar sensores para detectar contaminantes ambientales peligrosos o para utilizar sus propiedades luminosas y de emisión de luz para impulsar transformaciones químicas análogas a las de la naturaleza. fotosíntesis.

La investigación tiene una dimensión tanto internacional (están representados ocho países) como irlandesa, y los principales organismos de financiación de este último, el Consejo Irlandés de Investigación (IRC) y la Fundación Científica de Irlanda, desempeñan ambos un papel clave de apoyo financiero. El más notable es el Centro de Investigación Farmacéutica de SFI, SSPC, que financió principalmente el trabajo, junto con contribuciones del Centro SFI AMBER y el Centro EPSRC-SFI con sede en AMBER para el programa de formación doctoral.

El profesor Damien Thompson, catedrático de Física de la Universidad de Limerick y director del SSPC, dijo: “Como centro seguimos avanzando y creando nuevos conocimientos en la interfaz de los materiales y la biología. Este trabajo colaborativo entre dos de nuestros investigadores principales en Trinity y RCSI destaca el poder de la ciencia básica para impulsar la innovación en medicina. Cuanto más de cerca observemos la interfaz molécula-célula y, lo que es más importante, cuanto mejor podamos ver, en tiempo real, cómo las moléculas se difunden de un lugar a otro dentro de las nanomáquinas celulares, más nos acercaremos a la realización del sueño de comprensión de Richard Feynman. todo lo que hacen los seres vivos gracias a los movimientos y sacudidas de los átomos.

“Pero sólo recientemente los investigadores han tenido suficientes recursos experimentales y computacionales para rastrear estos movimientos y vibraciones en entornos biológicos complejos. Este nuevo e interesante trabajo demuestra imágenes más específicas y de alto contraste de la dinámica subcelular, lo que a su vez permitirá a los investigadores desarrollar formulaciones de fármacos más eficaces con efectos secundarios reducidos.

El profesor Donal O’Shea, que supervisó la investigación, es un experto en imágenes celulares que trabaja en el Departamento de Química y en el RCSI Super-Resolution Imaging Consortium (financiado por Science Foundation Ireland, SFI). Añadió: “Nuestro uso de FLIM para rastrear las interacciones dinámicas de AIE con células vivas es un enfoque que puede tener una amplia aplicabilidad para otros sistemas de fluoróforos, permitiendo adquirir información que antes estaba oculta. »

Referencia: “Imágenes de fluorescencia resueltas en el tiempo con nanopartículas AIE que cambian de color y “encendido/apagado”” por Adam F. Henwood, Niamh Curtin, Sandra Estalayo-Adrián, Aramballi J. Savyasachi, Tómas A. Gudmundsson, June I. Lovitt, L. Constance Sigurvinsson, Hannah L. Dalton, Chris S. Hawes, Denis Jacquemin, Donal F. O’Shea y Thorfinnur Gunnlaugsson, 1 de diciembre de 2023. Química.
DOI: 10.1016/j.chempr.2023.10.001

El estudio fue financiado por el Consejo Irlandés de Investigación y la Fundación Científica de Irlanda.