Att ha absolut kontroll över aktiviteten hos en molekyl i en organism, eller bestämma när, var och hur ett läkemedel aktiveras – det här är några av de mål som är möjliga med så kallade fotoväxlingsbara molekyler, föreningar som ändrar sina egenskaper i närvaro av vissa ljusvågor. Resultaten av en studie ledd av Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC) tillsammans med Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), föra målet ett steg närmare.

Använda pulserande infraröda ljuslasrar, forskare har aktiverat molekyler som finns inuti neural vävnad med en effektivitet på nästan 100 procent. "Det är en utveckling som öppnar dörren till ett stort antal applikationer, inklusive läkemedel som bara verkar på den punkt av kroppen som är upplyst och därför är fria från oönskade biverkningar i andra regioner, och den rumsliga och tidsmässiga kontrollen av alla proteiner vars funktion vi vill studera i samband med en organism, säger Pau Gorostiza, ICREA forskningsprofessor och chef för Nanoprobes and Nanoswitches Group vid IBEC. Studien har nyligen publicerats i tidskriften Naturkommunikation .

Högprecisions ljuskänsliga omkopplare

Den fotoväxlingsbara molekylen som forskarna använde är en ny variant av azobensen, en kemisk förening som har en platt form i mörker, men som böjer sig när den utsätts för ljus. Fotofarmakologi försöker dra fördel av denna speciella egenskap för att kontrollera läkemedels aktivitet - ett inaktivt läkemedel kombinerat med azobensen introduceras i kroppen. Utformningen av läkemedlet tillåter endast dess funktion när azobensenen är böjd. På det här sättet, läkemedlet kommer bara att verka vid de punkter där ljuset som stimulerar azobensen bestrålas, på så sätt undviker de biverkningar som är förknippade med läkemedlets verkan på andra områden där azobensen förekommer.

Tills nyligen, tekniker baserade på fotoväxlingsbara molekyler använde kontinuerliga våglasrar av violett eller blått ljus (en-fotonstimulering) för att aktivera dessa föreningar, en metod som inte tillåter fokalisering av stimulansen. "Vi ville att molekylen skulle aktiveras vid en specifik punkt, inte längs hela ljusstrålen som vi bestrålar. Vi såg att tvåfotonövergångar med pulserande infrarött ljus kunde uppnå detta, men effektiviteten var mycket låg, och ansökningarna var begränsade. Molekylerna vi har utvecklat uppnår nu denna effekt med 100 procent effektivitet. Det är en mycket robust och exakt teknik för att manipulera neuronaktivitet, " sa Jordi Hernando och Ramon Alibés, forskare från Institutionen för kemi vid UAB som har handlett en del av detta arbete tillsammans med Josep Mª Lluch och Félix Busqué.

Forskare har bevisat effektiviteten av tekniken på musneuroner och i en djurmodell för studier av neuronala kretsar, masken Caenorhabditis elegans. "Trots att cellerna i en nervvävnad ligger väldigt nära varandra, vi har lyckats välja ut de där vi ville aktivera den fotoväxlingsbara molekylen."

Stimulering via två-fotonabsorption, förutspått av Maria Göppert-Mayer och demonstrerat med hjälp av de pulserande lasrar som utvecklats av vinnarna av Nobelpriset i fysik 2018, Donna Strickland och Gérard Mourou, har representerat en revolution för visualisering och manipulation av neuronal aktivitet.

Resultaten av denna utveckling öppnar dörren till nya forskningslinjer inom det molekylära området. Med den beskrivna tekniken, forskare kommer att ha oöverträffad spatiotemporal kontroll över alla fotoväxlingsbara molekyler de vill undersöka.