Fig.１ Schematisk illustration av alkynmärkt läkemedelsdetektion av små molekyler i levande celler med användning av ytförstärkt Raman-spridning av guldnanopartiklar. Kredit:Osaka University
Framgångsrik läkemedelsutveckling har en betydande inverkan på människors livskvalitet över hela världen. Att kunna spåra hur molekyler kommer in i målceller, och observera vad de gör när de är inne, är nyckeln till att identifiera de bästa kandidaterna. Analystekniker utgör därför en viktig del av läkemedelsupptäcktsprocessen. Forskare från Osaka University, i samarbete med RIKEN, har rapporterat en Raman-mikroskopi-baserad metod för att visualisera småmolekylära läkemedel som använder guldnanopartiklar. Teamets resultat publiceras i ACS Nano .
Små läkemedelsmolekyler spåras ofta genom att de fästs på fluorescerande prober som är synliga när de bestrålas med ljus. Mikroskopi kan sedan användas för att se dessa molekyler inuti celler i realtid. Dock, fluorescerande molekyler kan vara skrymmande, vilket kan påverka hur de små molekylerna beter sig. Dessutom, vissa fluorescerande molekyler förlorar sin fluorescens om de utsätts för för mycket ljus, vilket gör det svårt att se dem under långa studier.
Ett alternativ till fluorescerande etiketter är en mycket mindre tagg känd som en alkyn, som består av kol-kol trippelbindningar. Det speciella arrangemanget av atomer i alkyner finns inte naturligt i celler; därför, de ger en mycket specifik markör. Vidare, deras ringa storlek gör att alkyner har minimal effekt på småmolekylernas beteende. Istället för att avge fluorescens under laserljus, alkyner producerar vad som kallas en Raman-signal, som tydligt kan identifieras bland cellmaterialsignalerna.
Dock, Det är svårt att leta efter Raman-signalen för alkyngrupper när det inte finns många av dem på grund av Raman-spridningens låga effektivitet. Forskarna har därför kombinerat alkynmärkning med användning av guldnanopartiklar. Ytförstärkt Raman-spridningsmikroskopi (SERS) kan stimulera guldnanopartiklar att producera förstärkta elektriska fält som förstärker Raman-signalen från alkyngrupperna, gör dem lättare att upptäcka.
Fig. 2 Time-lapse 3D SERS-avbildning av små molekylers upptag av levande celler. Vi observerade framgångsrikt att SERS-signalerna för alkyner initialt detekterades cirka 10–15 minuter efter läkemedelsadministrering, och antalet signaler ökade gradvis över tiden. Läkemedelsadministreringskoncentrationen var 20 µM. Kredit:Osaka University
"Vårt tillvägagångssätt är en kombination av tekniker som har använts för att spåra små molekyler i levande celler, " studiens huvudförfattare Kota Koike förklarar. "Guldnanopartiklar är särskilt användbara budbärare för att rapportera närvaron av alkyngrupper eftersom de förbättrar alkynsignalen, samt att ge en yta som alkynerna gillar att interagera med. De två komponenterna möts därför naturligt för att generera den förbättrade signalen."
Guldnanopartiklar tas lätt upp av många olika typer av celler, gör tekniken brett användbar. Nanopartiklarna kommer in i lysosomfacken inuti cellen och förstärker sedan signalen från de alkynmärkta molekylerna som sedan anländer till lysosomerna och interagerar med dem.
Fig. 3 Kvantitativ detektering av antalet SERS-signaler för alkyner på encellsnivå (vänster figur). Antalet SERS-signaler som detekteras per cell vid varje administreringskoncentration över tiden (höger). Genom att använda den kvantitativa SERS-detektionsmetoden observerade vi framgångsrikt att upptagningshastigheten till stor del berodde på läkemedelskoncentrationen. Kredit:Osaka University
"Vår SERS-teknik har potential att användas med en mängd olika celltyper såväl som ett praktiskt taget obegränsat antal läkemedelskandidater, ", förklarar motsvarande författare Katsumasa Fujita. "Detta är särskilt spännande för läkemedelsupptäckt där alla sätt att bättre förstå läkemedelsdynamiken i realtid är extremt värdefulla för utveckling."
