p A técnica biológica de 'optogenética' usa luz para controlar células em tecidos vivos que foram geneticamente modificados para serem sensíveis à luz. Contudo, há controle limitado de processos como este, como a luz pode ativar vários genes de uma vez, e uma luz de penetração profunda é freqüentemente necessária para atingir os genes em tecidos vivos. p Agora, pesquisadores do NUS desenvolveram um método para dar mais controle a esse processo, usando nanopartículas e nanoclusters especialmente concebidos (apelidados de 'superballs'). Essas nanopartículas e superballs podem emitir diferentes cores de luz quando excitadas por lasers em diferentes comprimentos de onda. Essas diferentes cores de luz podem então ser usadas para desencadear processos biológicos específicos.

p Para ativar genes sensíveis à luz, a equipe liderada pelo professor Zhang Yong da NUS Biomedical Engineering usou as nanopartículas e superballs para 'converter' a luz infravermelha próxima (NIR) para energias mais altas de luz visível. Uma vez que a luz NIR é profundamente penetrante, esta abordagem pode ser usada para muitos tratamentos de tecidos profundos.

p Nanopartículas para controlar a freqüência cardíaca

p O professor Zhang e sua equipe inventaram novas nanopartículas que emitem luz vermelha ou verde, dependendo do comprimento de onda da radiação NIR usada para excitá-los. As nanopartículas irradiam luz vermelha quando excitadas por um feixe de laser com comprimento de onda de 980 nanômetros, e luz verde quando o comprimento de onda do feixe de laser é reduzido para 808 nanômetros.

p Além de serem de duas cores diferentes, a luz emitida por essas nanopartículas pode ser usada para ativação bidirecional. Isso é diferente das terapias optogenéticas atuais que usam nanopartículas, que só pode ser ativado de forma monodirecional. "Como tal, podemos manipular intrincadamente um processo biológico, ou algumas etapas do processo, em direções diferentes ou programaticamente, "explicou o Prof Zhang.

p Os pesquisadores mostraram que era possível usar essas partículas para controlar a taxa de batimento em células modificadas do músculo cardíaco. Ao controlar opticamente dois canais ativados por luz, conhecidos como Jaws e VChR1 na mesma célula, eles foram capazes de alterar a velocidade do batimento cardíaco. A luz vermelha diminuiu a freqüência cardíaca, e a luz verde acelerou.

p Essas nanopartículas consistem em um núcleo interno que é rico em érbio, rodeado por camadas de materiais dopados com itérbio e neodímio. "Para gerar essas emissões ortogonais de fluorescência, geralmente precisamos inserir vários íons de lantanídeos nos nanocristais. Em nosso estudo, isso é conseguido usando apenas um íon. ”Esta inovação dos pesquisadores garante que todas as emissões ortogonais venham de íons de érbio.

p Em relação a este avanço material e inovação de aplicação, O professor Zhang disse:"Esta demonstração fornece um grande passo em direção ao controle de caminho multidirecional programável, e também oferece oportunidades intrigantes para aplicações em muitos outros processos biológicos sinergicamente interativos, como diagnósticos e terapias. "

p Os resultados deste estudo foram publicados na revista. Nature Communications em 27 de setembro de 2019 e foram relatados como destaque de pesquisa em 4 de outubro de 2019.

p Superballs para ativar drogas anticâncer

p Além das novas nanopartículas, O professor Zhang e sua equipe sintetizaram recentemente clusters de duas nanopartículas diferentes, que chamaram de 'superballs'. De forma semelhante às novas nanopartículas, essas superballs emitem luz de cores diferentes quando excitadas com diferentes comprimentos de onda de radiação NIR. Eles irradiam luz vermelha quando excitados por um feixe de laser com comprimento de onda de 980 nanômetros, e luz UV / azul quando o comprimento de onda do feixe de laser é reduzido para 808 nanômetros.

p Essas novas superbolas foram então usadas para aprimorar um procedimento de tratamento fotodinâmico do câncer.

p Quando as superballs foram energeticamente excitadas para irradiar luz vermelha, eles foram capazes de entrar em uma cela. Próximo, eles estavam animados para irradiar luz UV / azul para aumentar a sensibilidade das células às espécies reativas de oxigênio. Finalmente, eles estavam animados para irradiar luz vermelha novamente para ativar drogas fotossensíveis para produzir espécies reativas de oxigênio. Essas espécies reativas de oxigênio podem então induzir a morte de células tumorais.

p Com este avanço na pesquisa, os cientistas do NUS desenvolveram um simples, método amigável para sintetizar essas superballs. A forma, o tamanho e até mesmo os comprimentos de onda de excitação / emissão das superballs podem ser modificados dependendo da aplicação necessária.

p Os resultados deste estudo foram publicados em Nature Communications em 8 de outubro de 2019.

p Próximos passos

p As aplicações dessas nanopartículas e superballs são numerosas. "Isso será do interesse de biólogos e médicos em diferentes áreas, especialmente aqueles que trabalham com fototerapia, incluindo terapia fotodinâmica, terapia fototérmica, entrega de droga / gene controlada por luz, e optogenética, "disse o Prof Zhang

p Para as próximas etapas da pesquisa, Prof Zhang explicou, "Em última análise, o objetivo deste projeto é usar eletrônica sem fio juntamente com nanopartículas para terapias fotodinâmicas aprimoradas que podem tratar grandes tumores em tecidos profundos. "Como tal, os pesquisadores continuarão a desenvolver novos materiais e inventar aplicações inovadoras nesta área.