اختراع جديد لتغيير الألوان يسمح “بالسفر عبر الزمن” في الخلايا

قام باحثون من كلية ترينيتي في دبلن، بالتعاون مع الكلية الملكية للجراحين في أيرلندا (RCSI)، بتطوير أصباغ فلورسنت خاصة متغيرة الألوان والتي، لأول مرة، يمكن استخدامها لتصور بيئات بيولوجية متعددة متميزة في وقت واحد باستخدام مفرد واحد فقط. صبغ.

عندما يتم تغليف هذه الأصباغ في حاويات التسليم، مثل تلك المستخدمة في تقنيات مثل كوفيد-19 في اللقاحات، “تضيء” وتبعث الضوء من خلال عملية تسمى الانبعاث الناجم عن التجميع (AIE). بعد وقت قصير من إدخالها إلى الخلايا، “ينطفئ” ضوءها قبل أن “يعود إلى التشغيل” بمجرد أن تقوم الخلايا بنقل الأصباغ في قطرات الدهون الخلوية.

تقنيات التصوير المتقدمة

نظرًا لأن الضوء القادم من داخل الخلايا له لون مختلف ويحدث في نافذة زمنية مختلفة عن الضوء القادم من نفس الصبغة داخل أوعية التوصيل، يمكن للباحثين استخدام تقنية تسمى “التصوير الفلوري مدى الحياة” (FLIM) للتمييز بين البيئتين في الواقع وقت.

وقد تم نشر العمل مؤخرا في المجلة الدولية الرائدة، المواد الكيميائية. عمل المؤلف الأول الدكتور آدم هينوود، وهو باحث كبير في كلية الكيمياء ومقره في معهد ترينيتي للعلوم الطبية الحيوية (TBSI)، على هذا التصميم مع طالبة الدكتوراه كوني سيجورفينسون.

وأوضح الدكتور هينوود: “يعتمد التصوير الحيوي على الأصباغ “التشغيل/الإيقاف”، حيث تبعث الأصباغ الضوء فقط في ظل مجموعة واحدة من الظروف، ولكن يتم إيقاف تشغيلها بخلاف ذلك. وهذا مفيد للغاية، ولكنه يعني أنه يمكنك فقط النظر إلى مكان واحد في كل مرة تحت المجهر. الأمر المثير في هذا العمل هو أن أصباغنا تصل إلى نقطة جيدة تمنحها خصائص تشغيل/إيقاف/تشغيل مميزة، والأهم من ذلك، يمكننا ملاحظة حالات “التشغيل” المختلفة هذه والتمييز بينها.

“لذلك نرى كلانا أكثر وأفضل من ذي قبل. للقيام بذلك، نحسب الوقت الذي يستغرقه الضوء من عيناتنا للوصول إلى المجهر: الضوء من حاويات التوصيل يستغرق وقتًا أطول قليلاً من الضوء من الخلايا الداخلية. من خلال جمع ما يكفي من الإشارات الضوئية، يمكننا استخدام هذه المعلومات لإنشاء صور ثلاثية الأبعاد دقيقة لبيئتي الصبغة المختلفتين بسرعة. إن الاختلافات الزمنية صغيرة – بضعة أجزاء من المليار من الثانية في كلتا الحالتين – ولكن طريقتنا حساسة بما يكفي لالتقاطها.

وتعني هذه الجودة الفريدة أن الأصباغ يمكن أن يكون لها نطاق واسع من التطبيقات، وعلى سبيل المثال، لديها القدرة على إحداث ثورة في أساليب الاستشعار الحيوي والتصوير.

التغيرات في تألق نفس الصبغة من المذيب العضوي النقي، اليسار، إلى الماء، اليمين. المصدر: الدكتور آدم هينوود، كلية ترينيتي في دبلن

ونظرًا لأن هذه الأصباغ يمكن أن تساعد العلماء على رسم هياكل معقدة داخل الخلايا الحية بمثل هذا التباين والنوعية العالية، فقد تساعد في فهم كيفية امتصاص الخلايا للأدوية واستقلابها أو السماح للعلماء بتصميم وإجراء سلسلة من التجارب الجديدة لفهم أفضل. الأعمال الداخلية المعقدة للخلايا وآلياتها الكيميائية الحيوية المهمة جدًا.

وفي الورقة البحثية المنشورة في المجلة، ركز العلماء على استخدام الأصباغ لتصوير قطرات الدهون (الدهون) الخلوية، والتي تعد مثالاً على “العضيات” المهمة التي تشكل الخلايا الحية لمعظم الكائنات الحية المعقدة (مثلنا نحن البشر).

يُعتقد الآن أن قطرات الدهون، التي كان يُعتقد في السابق أنها “مستودعات دهنية بسيطة”، تلعب دورًا مهمًا في تنظيم عملية التمثيل الغذائي الخلوي، وتنسيق امتصاص الدهون وتوزيعها وتخزينها واستخدامها داخل الخلايا. وبسبب هذا الفهم المتزايد لأهميتها وحقيقة أن التغيرات المفاجئة في نشاطها غالبا ما تشير إلى الإجهاد الخلوي، فإنها توفر سيناريو اختبار مفيد للأصباغ. أحد السبل المحتملة لمزيد من البحث هو معرفة ما إذا كان الفريق يستطيع استهداف عضيات خلوية مهمة أخرى بأصباغها.

Thorfinnur Gunnlaugsson، أستاذ الكيمياء في كلية ترينيتي للكيمياء ومقره في TBSI، هو المؤلف الرئيسي لهذه الورقة. قال:

“إن القدرة على مراقبة الوظيفة الخلوية أو تدفق الجزيئات أو الأدوية المرشحة إلى الخلايا من خلال مراقبة ألوان مختلفة من انبعاث الفلورسنت أمر جذاب للغاية. الإنجاز هنا هو أننا نستطيع حل واستخدام الاختلاف في عمر الفلورسنت للتعرف على هذه المجسات نفسها في بيئات خلوية مختلفة بسرعة ودقة، مما يسمح لنا حرفيًا برسم خريطة “لسفرها عبر الزمن” الملون داخل الخلايا.

“لكن الأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أن هذه الظاهرة لا تنطبق على التصوير الخلوي. تفتح هذه النتائج إمكانيات جديدة في كل شيء بدءًا من دراسة البيولوجيا الكيميائية، كما أظهرنا هنا، إلى العديد من التطبيقات الطبية الأخرى وحتى في توليد مواد وظيفية جديدة لاستخدامها في ما وراء البيولوجيا. يمكن من حيث المبدأ رسم خرائط وتحسين أي مادة جزيئية أو مادة نانوية تتطلب حركة جزيئية خاضعة للتحكم باستخدام طريقتنا الجديدة.

التطبيقات المحتملة والاتجاهات المستقبلية

وهذا بالفعل هو ما ينوي المؤلفون أن يلقيوا به شبكة واسعة. إنهم يتصورون العديد من الاحتمالات الجديدة لهذه الأصباغ، مشيرين إلى أن حساسيتها الاستثنائية ذات أهمية لتطوير أجهزة استشعار للملوثات البيئية الخطرة أو لاستخدام خصائصها المضيئة والباعثة للضوء لتشغيل التحولات الكيميائية، المماثلة لتلك الموجودة في الطبيعة. البناء الضوئي.

يمتلك البحث بعدًا دوليًا (ثمانية دول ممثلة) وأيرلنديًا، حيث تلعب هيئات التمويل الرئيسية للأخيرة، مجلس البحوث الأيرلندي (IRC) ومؤسسة العلوم الأيرلندية، دورًا رئيسيًا في الدعم المالي. أبرزها هو مركز البحوث الصيدلانية التابع لـ SFI، SSPC، الذي قام بتمويل العمل في المقام الأول، إلى جانب مساهمات من مركز SFI AMBER ومركز EPSRC-SFI ومقره AMBER لبرنامج تدريب الدكتوراه.

وقال البروفيسور داميان طومسون، أستاذ الفيزياء في جامعة ليمريك ومدير SSPC: “كمركز، نواصل المضي قدمًا وخلق معرفة جديدة في واجهة المواد والبيولوجيا. يسلط هذا العمل التعاوني بين اثنين من الباحثين الرئيسيين لدينا في Trinity وRCSI الضوء على قوة العلوم الأساسية في دفع الابتكار في الطب. كلما نظرنا عن كثب إلى واجهة الخلية الجزيئية، والأهم من ذلك، كلما تمكنا من رؤية كيفية انتشار الجزيئات من مكان إلى آخر داخل الآلات النانوية الخلوية بشكل أفضل، في الوقت الفعلي، كلما اقتربنا من تحقيق حلم ريتشارد فاينمان في الفهم. كل ما تفعله الكائنات الحية بفضل حركات الذرات واهتزازها.

“ولكن في الآونة الأخيرة فقط أصبح لدى الباحثين موارد تجريبية وحسابية كافية لتتبع هذه الحركات والاهتزازات في البيئات البيولوجية المعقدة. يوضح هذا العمل الجديد المثير تصويرًا أكثر تحديدًا وعالي التباين للديناميكيات تحت الخلوية، والذي سيسمح بدوره للباحثين بتطوير تركيبات دوائية أكثر فعالية مع آثار جانبية أقل.

البروفيسور دونال أوشي، الذي أشرف على التحقيق، هو خبير في التصوير الخلوي ومقره في قسم الكيمياء واتحاد التصوير فائق الدقة RCSI (بتمويل من مؤسسة العلوم الأيرلندية، SFI). وأضاف: “إن استخدامنا لـ FLIM لتتبع التفاعلات الديناميكية لـ AIE مع الخلايا الحية هو نهج قد يكون له قابلية تطبيق واسعة النطاق على أنظمة الفلوروفور الأخرى، مما يسمح بالحصول على المعلومات التي كانت مخفية سابقًا. »

المرجع: “التصوير الفلوري الذي تم حله بمرور الوقت باستخدام جسيمات AIE النانوية المتغيرة الألوان و”التشغيل/الإيقاف”” بواسطة Adam F. Henwood، Niamh Curtin، Sandra Estalayo-Adrián، Aramballi J. Savyasachi، Tómas A. Gudmundsson، June I. Lovitt، إل كونستانس سيجورفينسون، وهانا إل. دالتون، وكريس إس. هاوز، ودينيس جاكمين، ودونال إف. أوشي، وثورفينور جونلوجسون، 1 ديسمبر 2023، كيمياء.
DOI: 10.1016/j.chempr.2023.10.001

تم تمويل الدراسة من قبل مجلس البحوث الأيرلندي ومؤسسة العلوم الأيرلندية.