Forskare från Trinity har i samarbete med Royal College of Surgeons in Ireland (RCSI) utvecklat speciella fluorescerande, färgförändrande färgämnen som för första gången kan användas för att samtidigt visualisera flera distinkta biologiska miljöer med bara ett enda färgämne.

När dessa färgämnen är inkapslade i leveranskärl, som de som används i teknologier som COVID-19-vaccinerna, "slår på" och ger ut ljus via en process som kallas "aggregationsinducerad emission" (AIE). Strax efter leverans till cellerna "släcks" deras ljus innan de "tänds" igen när cellerna överför färgämnena till cellulära lipiddroppar.

Eftersom ljuset som kommer inifrån cellerna har en annan färg och inträffar inom ett annat tidsfönster än ljuset som kommer från samma färgämne inuti leveranskärlen, kan forskarna använda en teknik som kallas "fluorescenslivstidsavbildning" (FLIM) för att särskilja mellan de två miljöerna i realtid.

Verket publicerades nyligen i tidskriften Chem . En recensionsartikel om detta arbete publicerades också i samma nummer. Förste författare, Dr. Adam Henwood, seniorforskare vid School of Chemistry och baserad vid Trinity Biomedical Sciences Institute (TBSI), arbetade med denna design med Ph.D. elev Connie Sigurvinsson.

Dr. Henwood förklarade, "Bioimaging förlitar sig på "på/av" färgämnen där färgämnena bara avger ljus under en uppsättning förhållanden men annars är avstängda. Detta är extremt användbart, men det betyder att du bara kan titta på ett ställe på en tid under ditt lupp Det spännande med detta arbete är att våra färgämnen träffar en söt punkt som ger dem distinkta på/av/på-egenskaper och, avgörande, kan vi både observera och skilja dessa olika "på"-tillstånd.

"Så vi både ser mer och ser bättre än tidigare. Vi gör detta genom att tajma hur lång tid det tar för ljuset som kommer från våra prover att nå mikroskopet:ljus från leveranskärlen tar marginellt mer tid än ljus inifrån cellerna. Genom att Genom att samla in tillräckligt med ljussignaler kan vi använda den här informationen för att snabbt bygga upp exakta 3D-bilder av de två olika färgämnesmiljöerna. Tidsskillnaderna är små – bara några miljarder av en sekund i båda riktningarna – men vår metod är tillräckligt känslig för att fånga den. "

Denna unika kvalitet innebär att färgämnena kan ha en enorm svit av applikationer och, till exempel, ha potentialen att revolutionera biosensing och avbildningsmetoder.

Eftersom dessa färgämnen kan hjälpa forskare att kartlägga de intrikata strukturerna i levande celler med så hög kontrast och specificitet, kan de hjälpa till att belysa hur läkemedel tas upp och metaboliseras av celler eller tillåta forskare att designa och genomföra en rad nya experiment för att förbättra vår förståelse av cellernas komplexa inre funktion och deras avgörande biokemiska maskineri.

I tidskriftsartikeln fokuserade forskarna på att använda färgämnena för att avbilda cellulära lipid (fett) droppar, som är ett exempel på viktiga "organeller" som utgör levande celler i de flesta komplexa organismer (som oss människor).

Lipiddroppar, som en gång ansågs vara enkla "fettreservoarer", tros nu spela en viktig roll för att reglera cellulär metabolism, koordinera lipidupptag, distribution, lagring och användning i cellerna. På grund av denna växande förståelse för deras betydelse, och eftersom plötsliga förändringar i deras aktivitet ofta indikerar cellulär stress, fungerar de som ett användbart testfall för färgämnena. En möjlig väg för ytterligare forskning är att se om teamet kan rikta in sig på andra viktiga cellulära organeller med sina färgämnen.

Thorfinnur Gunnlaugsson, professor i kemi vid Kemihögskolan vid Trinity och baserad i TBSI, är seniorförfattare till artikeln. Han sa:"Att kunna övervaka cellulär funktion eller flödet av molekyler eller läkemedelskandidater inom celler genom att observera olika fluorescensemissionsfärger är extremt attraktivt. Genombrottet här är att vi kan lösa och använda skillnaden i deras fluorescenslivslängder för att identifiera dessa samma. sonder inom olika cellulära miljöer på ett snabbt och exakt sätt, vilket bokstavligen tillåter oss att kartlägga deras färgglada "tidsresor" i cellerna.

"Det mest spännande är dock att detta fenomen inte bara är tillämpligt på cellulär avbildning. Dessa resultat öppnar upp nya möjligheter i allt från att studera kemisk biologi, som vi har visat här, till många andra medicinska tillämpningar och till och med i genereringen av nya funktionella material för användning utöver biologi Alla molekylära eller nanomaterial som kräver kontrollerad molekylär rörelse kan i princip kartläggas och finjusteras med vår nya metod."

Och det är verkligen här som författarna har för avsikt att kasta nätet långt och brett. De föreställer sig många nya möjligheter för dessa färgämnen, och pekar mot deras exceptionella känslighet som attraktiva för att utveckla sensorer för farliga miljöföroreningar eller använda deras ljusa, ljusavgivande egenskaper för att driva kemiska omvandlingar, analogt med naturens egen fotosyntes.

Professor Damien Thompson, professor i fysik vid University of Limerick och chef för SSPC sa:"Som ett centrum fortsätter vi att driva framåt och skapa ny kunskap i gränssnittet mellan material och biologi. Detta samarbetsarbete mellan två av våra huvudutredare at Trinity och RCSI visar upp kraften hos grundläggande vetenskap för att driva innovation inom medicin.

"Ju närmare vi tittar på molekyl-cell-gränssnittet, och avgörande, ju bättre vi kan se, i realtid, hur molekyler diffunderar från plats till plats inuti cellens nanomaskineri, desto närmare kommer vi att förverkliga Richard Feynmans dröm om att förstå allt som levande ting gör från atomernas vicklande och vicklande.

"Men först nyligen har forskare haft tillräckliga experimentella och beräkningsresurser för att spåra dessa rörelser och vibrationer i komplexa biologiska miljöer. Detta spännande nya arbete visar mer specifik, högkontrastavbildning av subcellulär dynamik, vilket i sin tur kommer att göra det möjligt för forskare att utveckla mer effektiva läkemedelsformuleringar med minskade biverkningar."

Professor Donal O'Shea, som övervakade undersökningen, är expert på cellavbildning baserad på RCSI:s Department of Chemistry and Super-Resolution Imaging Consortium. Han tillade, "Vår användning av FLIM för att spåra dynamiska AIE-interaktioner med levande celler är ett tillvägagångssätt som kan ha bred tillämpbarhet för andra fluoroforsystem, vilket gör det möjligt att få insikter som tidigare var dolda."

Mer information: Adam F. Henwood et al, Tidsupplöst fluorescensavbildning med färgskiftande, "slå på/slå på" AIE nanopartiklar, Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.10.001

Qiang Cai et al, Advancing fluorescence imaging with dual-mode AIE nanopartiklar, Chem (2024). DOI:10.1016/j.chempr.2024.01.010

Journalinformation: Chem

Tillhandahålls av Trinity College Dublin