Cientistas do Trinity, em colaboração com o Royal College of Surgeons in Ireland (RCSI), desenvolveram corantes fluorescentes especiais que mudam de cor que, pela primeira vez, podem ser usados ​​para visualizar simultaneamente vários ambientes biológicos distintos usando apenas um único corante.



Quando estes corantes são encapsulados em recipientes de distribuição, como os utilizados em tecnologias como as vacinas contra a COVID-19, eles “ligam-se” e emitem luz através de um processo denominado “emissão induzida por agregação” (AIE). Logo após a entrega nas células, sua luz “desliga” antes de “ligar” novamente, uma vez que as células transportam os corantes para as gotículas lipídicas celulares.

Como a luz que vem de dentro das células é de uma cor diferente e ocorre dentro de uma janela de tempo diferente da luz que vem do mesmo corante dentro dos vasos de distribuição, os pesquisadores podem usar uma técnica chamada "imagem de vida de fluorescência" (FLIM) para distinguir entre os dois ambientes em tempo real.

O trabalho foi publicado recentemente na revista Chem . Um artigo de revisão sobre este trabalho também foi publicado na mesma edição. O primeiro autor, Dr. Adam Henwood, pesquisador sênior da Escola de Química e baseado no Trinity Biomedical Sciences Institute (TBSI), trabalhou neste projeto com Ph.D. estudante Connie Sigurvinsson.

Henwood explicou:"A bioimagem depende de corantes 'ligados/desligados', onde os corantes só emitem luz sob um conjunto de condições, mas são desligados de outra forma. Isso é extremamente útil, mas significa que você só pode olhar para um lugar em um momento sob seu microscópio A parte interessante deste trabalho é que nossos corantes atingem um ponto ideal que lhes confere propriedades liga/desliga/liga distintas e, o que é crucial, podemos observar e diferenciar esses diferentes estados "ligados".

"Portanto, ambos vemos mais e melhor do que antes. Fazemos isso cronometrando quanto tempo leva para a luz proveniente de nossas amostras chegar ao microscópio:a luz dos vasos de distribuição leva um pouco mais de tempo do que a luz de dentro das células. Por coletando sinais de luz suficientes, podemos usar essas informações para construir rapidamente imagens 3D precisas dos dois ambientes de corantes diferentes. As diferenças de tempo são pequenas – apenas alguns bilionésimos de segundo de qualquer maneira – mas nosso método é sensível o suficiente para capturá-las. "

Esta qualidade única significa que os corantes podem ter um enorme conjunto de aplicações e, por exemplo, ter o potencial de revolucionar as abordagens de biossensor e imagem.

Como esses corantes podem ajudar os cientistas a mapear as intrincadas estruturas dentro das células vivas com alto contraste e especificidade, eles poderiam ajudar a esclarecer como as drogas são absorvidas e metabolizadas pelas células ou permitir que os cientistas projetem e conduzam uma série de novos experimentos para melhorar nossa compreensão de o complexo funcionamento interno das células e seu importantíssimo maquinário bioquímico.

No artigo da revista, os cientistas se concentraram no uso dos corantes para criar imagens de gotículas lipídicas (gordura) celulares, que são um exemplo de "organelas" importantes que constituem as células vivas na maioria dos organismos complexos (como nós, humanos).

Acredita-se agora que as gotículas lipídicas, antes consideradas simples "reservatórios de gordura", desempenham um papel importante na regulação do metabolismo celular, coordenando a captação, distribuição, armazenamento e utilização de lipídios nas células. Devido a esta crescente compreensão da sua importância, e porque mudanças repentinas na sua actividade muitas vezes indicam stress celular, eles servem como um cenário de teste útil para os corantes. Um caminho potencial para futuras pesquisas é ver se a equipe consegue atingir outras organelas celulares importantes com seus corantes.

Thorfinnur Gunnlaugsson, professor de Química na Escola de Química da Trinity e baseado no TBSI, é o autor sênior do artigo. Ele disse:"Ser capaz de monitorar a função celular ou o fluxo de moléculas ou candidatos a medicamentos dentro das células, observando diferentes cores de emissão de fluorescência, é extremamente atraente. A inovação aqui é que podemos resolver e usar a diferença em seus tempos de vida de fluorescência para identificar esses mesmos sondas em diferentes ambientes celulares de maneira rápida e precisa, literalmente nos permitindo mapear sua colorida “viagem no tempo” dentro das células.

"O mais emocionante, no entanto, é que este fenômeno não é aplicável apenas à imagem celular. Esses resultados abrem novas possibilidades em tudo, desde o estudo da biologia química, como mostramos aqui, até muitas outras aplicações médicas e até mesmo na geração de novos recursos funcionais. materiais para uso além da biologia. Qualquer material molecular ou nano que exija movimento molecular controlado pode, em princípio, ser mapeado e ajustado usando nosso novo método."

E, de facto, é aqui que os autores pretendem lançar a rede para longe. Eles prevêem muitas novas possibilidades para esses corantes, apontando sua sensibilidade excepcional como atraente para o desenvolvimento de sensores de poluentes ambientais perigosos ou para o uso de suas propriedades brilhantes e emissoras de luz para alimentar transformações químicas, análogas à própria fotossíntese da natureza.

O professor Damien Thompson, professor de física da Universidade de Limerick e diretor do SSPC disse:"Como centro, continuamos avançando e criando novos conhecimentos na interface de materiais e biologia. Este trabalho colaborativo entre dois de nossos principais investigadores na Trinity e RCSI mostra o poder da ciência fundamental para impulsionar a inovação na medicina.

"Quanto mais de perto olhamos para a interface molécula-célula e, mais importante, melhor podemos ver, em tempo real, como as moléculas se difundem de um lugar para outro dentro da nanomáquina celular, mais perto chegamos de realizar o sonho de Richard Feynman de compreender tudo o que coisas vivas fazem com o movimento e agitação dos átomos.

"Mas só recentemente os pesquisadores tiveram recursos experimentais e computacionais suficientes para rastrear esses movimentos e vibrações em ambientes biológicos complexos. Este novo trabalho emocionante demonstra imagens mais específicas e de alto contraste da dinâmica subcelular, o que por sua vez permitirá aos pesquisadores desenvolver formulações de medicamentos mais eficazes com efeitos colaterais reduzidos."

O professor Donal O'Shea, que supervisionou a investigação, é especialista em imagens celulares baseado no Departamento de Química e Consórcio de Imagens de Super-Resolução do RCSI. Ele acrescentou:"Nosso uso do FLIM para rastrear interações dinâmicas de AIE com células vivas é uma abordagem que pode ter ampla aplicabilidade para outros sistemas de fluoróforos, permitindo a obtenção de insights que antes estavam ocultos."

Mais informações: Adam F. Henwood et al, Imagem de fluorescência resolvida no tempo com nanopartículas AIE que mudam de cor e "ligam/ligam", Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.10.001
Qiang Cai et al, Avanço na imagem de fluorescência com nanopartículas AIE de modo duplo, Chem (2024). DOI:10.1016/j.chempr.2024.01.010

Informações do diário: Química

Fornecido por Trinity College Dublin