Den biologiska tekniken för 'optogenetik' använder ljus för att kontrollera celler i levande vävnader som har modifierats genetiskt för att vara ljuskänsliga. Dock, det finns begränsad kontroll över sådana här processer, eftersom ljuset kan aktivera flera gener samtidigt, och djupt penetrerande ljus behövs ofta för att nå generna i levande vävnader.

Nu, forskare från NUS har utvecklat en metod för att ge mer kontroll åt denna process, genom att använda specialdesignade nanopartiklar och nanokluster (kallade "superbollar"). Dessa nanopartiklar och superbollar kan avge olika färger av ljus när de exciteras av lasrar vid olika våglängder. Dessa olika färger av ljus kan sedan användas för att utlösa specifika biologiska processer.

För att aktivera ljuskänsliga gener, teamet under ledning av professor Zhang Yong från NUS Biomedical Engineering använde nanopartiklarna och superbollarna för att 'konvertera' nära-infrarött (NIR) ljus till högre energier av synligt ljus. Eftersom NIR-ljus är djupt penetrerande, detta tillvägagångssätt kan användas för många djupliggande vävnadsbehandlingar.

Nanopartiklar för att kontrollera hjärtfrekvensen

Prof Zhang och hans team uppfann nya nanopartiklar som avger antingen rött eller grönt ljus, beroende på våglängden på den NIR-strålning som används för att excitera dem. Nanopartiklarna utstrålar rött ljus när de exciteras av en laserstråle med en våglängd på 980 nanometer, och grönt ljus när laserstrålens våglängd minskas till 808 nanometer.

Förutom att det är två olika färger, ljuset som emitteras från dessa nanopartiklar kan användas för dubbelriktad aktivering. Detta skiljer sig från nuvarande optogenetiska terapier som använder nanopartiklar, som bara kan aktiveras på ett enkelriktat sätt. "Som sådan, vi kan invecklat manipulera en biologisk process, eller några steg i processen, i olika riktningar eller programmatiskt, " förklarade prof Zhang.

Forskarna visade att det var möjligt att använda dessa partiklar för att kontrollera slagfrekvensen i modifierade hjärtmuskelceller. Genom att optiskt styra två ljusaktiverade kanaler kända som Jaws och VChR1 i samma cell, de kunde ändra hjärtslagshastigheten. Det röda ljuset saktade ner hjärtfrekvensen, och det gröna ljuset satte fart.

Dessa nanopartiklar består av en inre kärna som är rik på erbium, omgiven av lager av ytterbium och neodymdopade material. "För att generera sådana ortogonala fluorescensemissioner, vi brukar behöva doppa flera lantanidjoner i nanokristallerna. I vår studie, detta uppnås genom att endast använda en jon." Denna innovation från forskarna säkerställer att de ortogonala utsläppen alla kommer från erbiumjoner.

När det gäller detta materialgenombrott och applikationsinnovation, Prof Zhang sa:"Denna demonstration ger ett stort steg framåt mot programmerbar flervägsstyrning, och erbjuder även spännande möjligheter för tillämpningar i många andra synergistiskt interaktiva biologiska processer som diagnostik och terapier."

Resultaten av denna studie publicerades i tidskriften Naturkommunikation den 27 september 2019 och rapporterades som en forskningshöjdpunkt den 4 oktober 2019.

Superbollar för att aktivera läkemedel mot cancer

Förutom de nya nanopartiklarna, Prof Zhang och hans team syntetiserade nyligen kluster av två olika nanopartiklar som de kallade "superbollar". På liknande sätt som de nya nanopartiklarna, dessa superbollar avger olika färgat ljus när de exciteras med olika våglängder av NIR-strålning. De utstrålar rött ljus när de exciteras av en laserstråle med en våglängd på 980 nanometer, och UV/blått ljus när laserstrålens våglängd minskas till 808 nanometer.

Dessa nya superbollar användes sedan för att förbättra ett fotodynamiskt cancerbehandlingsförfarande.

När superbollarna var energiskt upphetsade att utstråla rött ljus, de kunde gå in i en cell. Nästa, de var upphetsade att utstråla UV/blått ljus för att öka cellens känslighet för reaktiva syrearter. Till sist, de var glada över att utstråla rött ljus igen för att aktivera ljuskänsliga läkemedel för att producera reaktiva syrearter. Dessa reaktiva syrearter kan sedan inducera dödandet av tumörceller.

Med detta forskningsgenombrott, NUS-forskarna har utvecklat en enkel, användarvänlig metod för att syntetisera dessa superbollar. Formen, storlek och till och med excitations-/emissionsvåglängderna för superbollarna kan modifieras beroende på vilken applikation som behövs.

Resultaten från denna studie publicerades i Naturkommunikation den 8 oktober 2019.

Nästa steg

Tillämpningarna av dessa nanopartiklar och superbollar är många. "Detta kommer att vara av intresse för biologer och kliniker inom olika områden, särskilt de som arbetar med fototerapi, inklusive fotodynamisk terapi, fototermisk terapi, ljuskontrollerad läkemedels-/genleverans, och optogenetik, " sa prof Zhang

För de närmaste forskningsstegen, Prof Zhang förklarade, "I sista hand, Målet med detta projekt är att använda trådlös elektronik tillsammans med nanopartiklar för förbättrade fotodynamiska terapier som kan behandla stora tumörer i djupa vävnader." forskarna kommer att fortsätta att utveckla nya material och uppfinna innovativa tillämpningar inom detta område.