Penemuan baru yang dapat mengubah warna memungkinkan hal ini

Para peneliti di Trinity College Dublin dan Royal College of Surgeons di Irlandia telah mengembangkan pewarna fluoresen inovatif yang dapat berubah warna untuk memvisualisasikan lingkungan biologis yang berbeda menggunakan satu pewarna. Mampu “menghidupkan” dan “mematikan” berdasarkan lokasinya dalam struktur seluler, pewarna ini memungkinkan pencitraan proses seluler dengan kontras tinggi dan real-time. Terobosan ini, yang diterbitkan dalam jurnal Chem, membuka jalan bagi kemajuan dalam biosensing, pencitraan penghantaran obat, dan studi tentang dinamika sel. Penelitian ini mendapat manfaat dari kolaborasi internasional dan pendanaan yang signifikan dari badan penelitian Irlandia, sehingga menjanjikan penerapan yang luas dalam bidang biologi dan kedokteran. Kredit: SciTechDaily.com

Para peneliti di Trinity College Dublin, bekerja sama dengan Royal College of Surgeons of Ireland (RCSI), telah mengembangkan pewarna pengubah warna fluoresen khusus yang dapat digunakan untuk pertama kalinya untuk memvisualisasikan berbagai lingkungan biologis secara bersamaan hanya dengan menggunakan satu nomor. pewarna.

Saat pewarna ini dikemas dalam wadah pengangkutan, seperti yang digunakan dalam teknologi seperti vaksin COVID-19, pewarna tersebut “menyala” dan memancarkan cahaya melalui proses yang disebut “emisi yang diinduksi agregasi” (AIE). Segera setelah dikirim ke sel, lampunya “padam” dan kemudian “menyala” lagi saat sel mentransfer pewarna ke dalam tetesan lipid seluler.

Teknik pencitraan tingkat lanjut

Karena cahaya yang datang dari dalam sel memiliki warna yang berbeda dan terjadi dalam rentang waktu yang berbeda dengan cahaya yang berasal dari pewarna yang sama di dalam wadah pengangkut, para ilmuwan dapat menggunakan teknik yang disebut “pencitraan seumur hidup fluoresensi” (FLIM) untuk membedakannya. antara dua lingkungan secara real time.

Karya tersebut baru-baru ini diterbitkan di jurnal internasional terkemuka, kimia. Penulis pertama, Dr. Adam Henwood, Peneliti Senior di Fakultas Kimia dan berbasis di Trinity Biomedical Sciences Institute (TBSI), mengerjakan proposal ini bersama mahasiswa PhD Connie Sigurvinsson.

Dr Henwood menjelaskan: “Bioimaging bergantung pada pewarna ‘on/off’, dimana pewarna hanya memancarkan cahaya dalam satu rangkaian kondisi namun dimatikan. Ini sangat berguna, namun ini berarti Anda hanya dapat melihat satu tempat pada satu waktu di bawah mikroskop. Hal yang menarik dari penelitian ini adalah bahwa pewarna kami telah mencapai titik terbaik yang memberikan sifat hidup/mati/hidup yang khas, dan yang terpenting, kami dapat mengamati dan membedakan berbagai keadaan “hidup” ini.

“Jadi kami berdua melihat lebih banyak dan melihat lebih baik dari sebelumnya. Kami melakukan ini dengan menghitung berapa lama waktu yang dibutuhkan cahaya yang berasal dari sampel kami untuk mencapai mikroskop: cahaya dari wadah pengiriman memerlukan waktu sedikit lebih lama dibandingkan cahaya dari sel. Dengan mengumpulkan sinyal cahaya yang cukup, kita dapat menggunakan informasi ini untuk dengan cepat membuat gambar 3D akurat dari dua lingkungan pewarna berbeda. Perbedaan waktunya kecil – hanya sepersejuta detik pada kedua arah – namun metode kami cukup sensitif untuk menangkapnya.”

Kualitas unik ini berarti bahwa pewarna dapat memiliki aplikasi yang luas dan, misalnya, berpotensi merevolusi pendekatan bioimaging dan pencitraan.

Perubahan pendaran pewarna yang sama berpindah dari pelarut organik murni, kiri, ke air, kanan. Kredit: Dr. Adam Henwood, Universitas Trinity Dublin

Karena pewarna ini dapat membantu para ilmuwan memetakan struktur kompleks dalam sel hidup dengan kontras dan spesifisitas yang tinggi, pewarna ini dapat membantu menjelaskan bagaimana obat diserap dan dimetabolisme oleh sel, atau memungkinkan para ilmuwan merancang dan melakukan serangkaian eksperimen baru untuk membantu kita. lebih memahami cara kerja bagian dalam sel yang kompleks dan peralatan biokimianya yang sangat penting.

Dalam artikel jurnal yang diterbitkan, para peneliti berfokus pada penggunaan pewarna untuk menggambarkan tetesan lipid (lemak) seluler, yang merupakan salah satu contoh “organel” penting yang membentuk sel hidup di sebagian besar organisme kompleks (seperti kita manusia).

Tetesan lipid, yang pernah dianggap sebagai “penyimpan lemak” sederhana, dianggap memainkan peran penting dalam mengatur metabolisme sel, mengoordinasi pengambilan, distribusi, penyimpanan, dan penggunaan lipid di dalam sel. Karena semakin berkembangnya pemahaman akan pentingnya zat warna, dan karena perubahan tiba-tiba pada aktivitas zat warna sering kali mengindikasikan adanya stres pada sel, zat ini dapat digunakan sebagai uji coba yang berguna untuk zat warna. Salah satu jalan yang mungkin untuk penelitian lebih lanjut adalah untuk melihat apakah tim dapat menargetkan organel sel penting lainnya dengan pewarnanya.

Thorfinnur Gunnlaugsson, profesor kimia di Sekolah Kimia di Trinity, yang berbasis di TBSI, adalah penulis utama makalah ini. Dia berkata:

“Kemampuan untuk memantau fungsi seluler atau aliran molekul atau kandidat obat dalam sel dengan mengamati warna emisi fluoresen yang berbeda sangatlah menarik. Terobosannya adalah kita dapat menyelesaikan dan menggunakan perbedaan masa hidup fluoresensi mereka untuk dengan cepat dan akurat mengidentifikasi probe yang sama di lingkungan seluler yang berbeda, sehingga secara harfiah memungkinkan kita memetakan “perjalanan waktu” warna-warni mereka di dalam sel.

“Namun yang paling menarik adalah fenomena ini tidak berlaku pada pencitraan sel. Hasil-hasil ini membuka kemungkinan-kemungkinan baru dalam segala hal mulai dari studi biologi kimia, seperti yang telah kami tunjukkan di sini, hingga banyak aplikasi medis lainnya dan bahkan dalam penciptaan bahan fungsional baru untuk penggunaan di luar biologi. Molekul atau material nano apa pun yang memerlukan gerakan molekul terkendali pada prinsipnya dapat dipetakan dan disesuaikan menggunakan metode baru kami.”

Potensi penerapan dan arah masa depan

Dan memang, disinilah penulis bermaksud untuk menebarkan jaringnya secara luas. Mereka membayangkan banyak kemungkinan baru untuk pewarna ini, dengan menunjukkan sensitivitasnya yang luar biasa sehingga menarik untuk mengembangkan sensor terhadap polutan lingkungan yang berbahaya atau menggunakan sifat pemancar cahaya terang untuk mendorong transformasi kimia yang serupa dengan fotosintesis alam.

Penelitian ini menggunakan pendekatan internasional (delapan negara terwakili) dan pendekatan Irlandia, dengan badan pendanaan utama yaitu Irish Research Council (IRC) dan Science Foundation Ireland memainkan peran kunci dalam dukungan keuangan. Yang paling menonjol adalah Pusat Penelitian Farmasi SFI, SSPC, yang sebagian besar mendanai pekerjaan tersebut, serta kontribusi dari SFI AMBER Center dan melalui Pusat Program Pelatihan Doktor EPSRC-SFI yang berbasis di AMBER.

Prof. Damien Thompson, Profesor Fisika di Universitas Limerick dan Direktur SSPC, mengatakan: “Sebagai sebuah pusat, kami terus mendorong dan menciptakan pengetahuan baru pada antarmuka antara material dan biologi. Kolaborasi antara dua peneliti utama kami di Trinity dan RCSI menunjukkan kekuatan ilmu dasar untuk mendorong inovasi dalam bidang kedokteran. Semakin dekat kita melihat antarmuka molekul-sel dan, yang terpenting, semakin baik kita dapat melihat secara real-time bagaimana molekul berdifusi dari satu tempat ke tempat lain di dalam mesin nano seluler, semakin dekat kita untuk mewujudkan impian Richard Feynman untuk memahami segala sesuatu yang dilakukan makhluk hidup. dari osilasi dan getaran atom.

“Tetapi baru-baru ini para peneliti memiliki sumber daya eksperimental dan komputasi yang cukup untuk melacak pergerakan dan getaran ini di lingkungan biologis yang kompleks.” Karya baru yang menarik ini menunjukkan pencitraan dinamika subselular yang lebih spesifik dan kontras tinggi, yang akan memungkinkan para peneliti mengembangkan formulasi obat yang lebih efektif dengan efek samping yang lebih rendah.

Profesor Donal O’Shea, yang mengawasi penyelidikan ini, adalah ahli pencitraan sel yang berbasis di konsorsium Departemen Kimia dan Pencitraan Super-Resolusi RCSI (didanai oleh Science Foundation Ireland, SFI). Dia menambahkan: “Penggunaan FLIM untuk memantau interaksi dinamis AIE dengan sel hidup adalah sebuah pendekatan yang mungkin memiliki penerapan luas pada sistem fluorofor lainnya, sehingga memungkinkan adanya wawasan yang sebelumnya tersembunyi.”

Referensi: “Pencitraan fluoresensi dengan penyelesaian waktu dengan nanopartikel AIE yang berubah warna dan “menghidupkan/menghidupkan”” oleh Adam F. Henwood, Niamh Curtin, Sandra Estalayo-Adrián, Aramballi J. Savyasachi, Tómas A. Gudmundsson, Juni I. Lovitt, L. Constance Sigurvinsson, Hannah L. Dalton, Chris S. Hawes, Denis Jacquemin, Donal F. O’Shea, dan Thorfinnur Gunnlaugsson, 1 Des 2023, Chem.
DOI: 10.1016/j.chempr.2023.10.001

Studi ini didanai oleh Dewan Penelitian Irlandia dan Yayasan Sains Irlandia.