Gun Kim och Abigail Halmes arbetar på utrustning som avger en ultraljudsvåg som inducerar en reaktion som producerar ljus i syntetiska molekyler. Kredit:Fred Zwicky
Ett slumpmässigt samtal mellan två forskare från University of Illinois har öppnat en ny kommunikationslinje mellan biomedicinska forskare och vävnaderna de studerar. De nya rönen, redovisas i Proceedings of the National Academy of Sciences , visar att högintensiva fokuserade ultraljudsvågor kan penetrera biologisk vävnad för att aktivera molekyler som kan utföra specifika uppgifter.
Forskningen, utförs in vitro och i möss, hanterar utmaningarna med icke-invasiv tillgång till djup vävnad för terapeutiska ändamål utan att orsaka permanent skada. Studien visar framgångsrikt förmågan att utlösa kemiska reaktioner på begäran, på ett mycket riktat sätt samtidigt som man använder en teknik som redan är godkänd för medicinsk användning.
"I vid bemärkelse, vi försöker utveckla fjärrstyrda system som så småningom kan användas i biomedicinska tillämpningar, sade kung Li, dekanus vid Carle Illinois College of Medicine, en forskare vid Beckman Institute for Advanced Science and Technology i Illinois och en studie medförfattare.
"Jag fick veta att King var intresserad av att hitta ett sätt att fjärraktivera gener med hjälp av ljus - ett fält som kallas optogenetik, sa Jeffrey Moore, chefen för Beckmaninstitutet, en kemiprofessor och en studiemedförfattare. "Detta innebar en fantastisk möjlighet att berätta för honom om min forskning inom syntetisk polymerkemi och mekanik."
Moore studerar syntetiska molekyler som kallas mekanoforer som svarar på kraft genom att ändra färg eller generera ljus - något han trodde kunde utnyttja den mekaniska kraften från en ultraljudsvåg och utlösa en kemisk reaktion som avger ljus. Konceptet är precis vad Li letade efter.
Ljus kan inte passera genom ogenomskinligt material, men ultraljudsvågor – som har en väldokumenterad säkerhetsdata – kan, sa forskarna.
Jeffrey Moore, vänster, kung Li, postdoktorn Gun Kim och doktorand Abigail Halmes har samarbetat för att utveckla en ultraljudsaktiverad syntetisk molekyl som kan avge ljus djupt inne i biologisk vävnad för en mängd olika medicinska användningar och terapier. Kredit:Fred Zwicky
"Ljus har ett begränsat penetrationsområde i ogenomskinliga material, inklusive levande vävnader, "Li sa. "Förmågan att använda ultraljud för att penetrera ogenomskinliga material och sedan utlösa mekanoforer för att producera ljus djupt inuti dessa material kommer att öppna upp många möjligheter för tillämpningar som genaktivering."
Även om forskarna framgångsrikt har visat fjärrgenerering av ljus i biologisk vävnad utan att orsaka skada, intensiteten av det ljuset är fortfarande inte tillräckligt för optogenetiska tillämpningar.
"Vi närmar oss, " sade Moore. "När vi avslutade studien, vi var inom ungefär en faktor 10 av ljusintensiteten som behövs för att slå på gener, men nu är vi närmare en faktor två."
Det tvärvetenskapliga teamet av studiemedförfattare, som inkluderar elektro- och datateknikprofessorn Michael Oelze och Beckman Institutes forskare Gun Kim, Vivian Lau och Abigail Halmes, fortsätter att förfina tekniken och söka andra biomedicinska tillämpningar.
"Denna kombination av högintensivt fokuserat ultraljud och mekanoforer kan användas för många applikationer, och ljusproduktion är bara början, " Sa Li. "Vi utforskar redan aktivt andra applikationer."
