Une nouvelle invention de changement de couleur permet un « voyage dans le temps » à l'intérieur des cellules

Des chercheurs du Trinity College de Dublin, en collaboration avec le Royal College of Surgeons of Ireland (RCSI), ont développé des colorants fluorescents spéciaux à couleur changeante qui peuvent être utilisés, pour la première fois, pour visualiser simultanément plusieurs environnements biologiques distincts avec un seul agent. . Colorant.

Lorsque ces colorants sont encapsulés dans des récipients de conduction, tels que ceux utilisés dans des techniques telles que COVID-19[feminine Les vaccins, eux, « s’allument » et émettent de la lumière grâce à un processus appelé « émission induite par l’agrégation » (AIE). Peu de temps après avoir atteint les cellules, leur lumière « s’éteint » avant de se « rallumer » une fois que les cellules transfèrent les colorants aux gouttelettes lipidiques cellulaires.

Techniques d'imagerie avancées

Étant donné que la lumière provenant de l’intérieur des cellules a une couleur différente et se produit pendant une fenêtre temporelle différente de celle provenant du même pigment à l’intérieur des vaisseaux conducteurs, les chercheurs peuvent utiliser une technique appelée imagerie à vie par fluorescence (FLIM) pour distinguer les deux environnements en temps réel.

Les travaux ont été récemment publiés dans la principale revue internationale, Chimie. Le premier auteur, le Dr Adam Henwood, chercheur principal à l'École de chimie du Trinity Biomedical Sciences Institute (TBSI), a travaillé sur cette conception avec la doctorante Connie Sigurvinsson.

Le Dr Henwood a expliqué : « La bioimagerie repose sur des colorants « on/off », dans lesquels les colorants n'émettent de la lumière que dans un ensemble de conditions mais sont désactivés dans le cas contraire. C'est très utile, mais cela signifie que vous ne pouvez regarder qu'un seul endroit à la fois.  » Au microscope. Ce qui est passionnant dans ce travail, c'est que nos pigments ont atteint un point idéal qui leur confère des propriétés on/off/on distinctes et, plus important encore, nous pouvons observer et différencier ces différents états « on ».

« Ainsi, nous voyons tous les deux plus et mieux qu'avant. Nous le faisons en chronométrant le temps nécessaire à la lumière de nos échantillons pour atteindre le microscope : la lumière provenant des vaisseaux de conduction prend un peu plus de temps que la lumière provenant de l'intérieur des cellules. En collectant suffisamment de lumière « Nous pouvons utiliser ces informations pour créer rapidement des images 3D précises des deux environnements de colorants différents. Les différences de temps sont faibles – quelques milliardièmes de seconde dans les deux cas – mais notre méthode est suffisamment sensible pour les détecter. »

Cette qualité unique signifie que les colorants peuvent avoir un large éventail d’applications et, par exemple, avoir le potentiel de révolutionner les méthodes de biodétection et d’imagerie.

La luminescence change pour le même colorant en passant du solvant organique pur, à gauche, à l’eau, à droite. Source : Dr Adam Henwood, Trinity College de Dublin

Parce que ces colorants peuvent aider les scientifiques à cartographier les structures complexes à l'intérieur des cellules vivantes avec un contraste et une spécificité si élevés, ils peuvent aider à faire la lumière sur la façon dont les cellules absorbent et métabolisent les médicaments ou permettre aux scientifiques de concevoir et de mener une série de nouvelles expériences pour améliorer notre compréhension de cellules. Le fonctionnement interne complexe des cellules et leur machinerie biochimique cruciale.

Dans l’article publié dans la revue, les scientifiques se sont concentrés sur l’utilisation de colorants pour imager les gouttelettes lipidiques cellulaires, qui sont un exemple des « organelles » importantes qui composent les cellules vivantes de la plupart des organismes complexes (comme nous, les humains).

On pense désormais que les gouttelettes lipidiques, auparavant considérées comme de simples « dépôts de graisse », jouent un rôle important dans la régulation du métabolisme cellulaire, en coordonnant l’absorption, la distribution, le stockage et l’utilisation des graisses dans les cellules. En raison de cette compréhension croissante de leur importance et du fait que des changements soudains dans leur activité indiquent souvent un stress cellulaire, ils constituent un scénario de test utile pour les colorants. Une piste potentielle pour des recherches plus approfondies consiste à voir si l’équipe peut cibler d’autres organites cellulaires importants avec leurs colorants.

Thorfinnur Gunnlaugsson, professeur de chimie à l'École de chimie de l'Université Trinity et basé au TBSI, est l'auteur principal de l'article. il a dit:

« La capacité de surveiller la fonction cellulaire ou le flux de molécules ou de médicaments candidats dans les cellules en surveillant différentes couleurs d'émission de fluorescence est très intéressante. La percée ici est que nous sommes capables de résoudre et d'utiliser la variation des durées de vie de fluorescence pour identifier ces mêmes capteurs dans différents environnements cellulaires de manière rapide et précise », a-t-il déclaré. Ce qui nous permet littéralement de cartographier le « voyage temporel » coloré à l'intérieur des cellules.

« Mais ce qui est encore plus excitant, c'est que ce phénomène ne s'applique pas à l'imagerie cellulaire. Ces résultats ouvrent de nouvelles possibilités dans tous les domaines, de l'étude de la biologie chimique, comme nous l'avons montré ici, à de nombreuses autres applications médicales et même à la génération de nouveaux matériaux fonctionnels. pour une utilisation en dehors du cadre de la biologie. » Tout matériau moléculaire ou nanomatériau nécessitant un mouvement moléculaire contrôlable peut, en principe, être cartographié et ajusté avec précision à l'aide de notre nouvelle méthode.

Applications potentielles et tendances futures

C’est en effet là que les auteurs entendent ratisser largement. Ils envisagent de nombreuses nouvelles possibilités pour ces colorants, citant leur sensibilité exceptionnelle comme intéressante pour développer des capteurs de polluants environnementaux dangereux ou pour utiliser leurs propriétés d'émission de lumière vive pour déclencher des transformations chimiques similaires aux transformations naturelles. Photosynthèse.

La recherche a un caractère international (huit pays représentés) et une dimension irlandaise, les principaux organismes de financement de cette dernière, tels que l'Irish Research Council (IRC) et la Science Foundation Ireland, jouant un rôle crucial en matière de soutien financier. Le plus remarquable est le centre de recherche pharmaceutique de SFI, SSPC, qui a principalement financé le travail, avec les contributions du centre SFI AMBER et du centre EPSRC-SFI pour le programme de formation doctorale basé sur AMBER.

Le professeur Damian Thompson, professeur de physique à l'université de Limerick et directeur du SSPC, a déclaré : « En tant que centre, nous continuons d'avancer et de créer de nouvelles connaissances à l'interface entre les matériaux et la biologie. Ce travail collaboratif entre deux de nos chercheurs principaux à Trinity et au RCSI met en valeur le pouvoir de la science fondamentale pour stimuler l'innovation en médecine. Plus nous observons de près l'interface cellule-moléculaire, et plus important encore, mieux nous pouvons voir, en temps réel, comment les molécules se propagent d'un endroit à l'autre au sein des nanomachines de la cellule, plus nous nous rapprochons de la réalisation du rêve de Richard Feynman de tout comprendre. les organismes vivants le font, à partir de la vibration et de la vibration des atomes.

« Mais ce n'est que récemment que les chercheurs disposent de ressources expérimentales et informatiques suffisantes pour suivre ces mouvements et vibrations dans des environnements biologiques complexes. Ce nouveau travail passionnant démontre une imagerie plus spécifique et à contraste élevé de la dynamique subcellulaire, qui à son tour permettra aux chercheurs de développer des médicaments plus efficaces. des formulations avec moins d’effets secondaires. » .

Le professeur Donal O'Shea, qui a supervisé l'enquête, est un expert en imagerie cellulaire basé au département de chimie du RCSI et au Super-Resolution Imaging Consortium (financé par la Science Foundation of Ireland, SFI). Il a ajouté : « Notre utilisation de FLIM pour suivre les interactions dynamiques de l'AIE avec des cellules vivantes est une approche qui pourrait avoir une large applicabilité à d'autres systèmes de fluorophores, permettant ainsi d'obtenir des informations auparavant cachées.

Référence : « Imagerie de fluorescence résolue dans le temps utilisant des nanoparticules AIE à changement de couleur, « on/on » » par Adam F. Henwood, Niamh Curtin, Sandra Estalayo-Adrián, Aramballi J. Savyasachi, Tómas A. Gudmundsson, June I. Lovett, L. Constance Sigurvinsson, Hannah L. Dalton, Chris S. Howes, Denis Jacquemin, Donal F. O'Shea, Thorvenor Gunnlaugsson, 1er décembre 2023, Chimie.
DOI : 10.1016/j.chempr.2023.10.001

L'étude a été financée par le Conseil irlandais de la recherche et la Fondation irlandaise pour la science.