La técnica biológica de la 'optogenética' utiliza la luz para controlar las células dentro de los tejidos vivos que han sido modificadas genéticamente para que sean sensibles a la luz. Sin embargo, hay un control limitado de procesos como este, como la luz puede activar varios genes a la vez, ya menudo se necesita luz que penetre profundamente para alcanzar los genes en los tejidos vivos.

Ahora, Los investigadores de NUS han desarrollado un método para dar más control a este proceso, mediante el uso de nanopartículas y nanoclusters especialmente diseñados (denominados 'superballs'). Estas nanopartículas y superbolas pueden emitir diferentes colores de luz cuando son excitadas por láseres en diferentes longitudes de onda. Estos diferentes colores de luz se pueden utilizar para desencadenar procesos biológicos específicos.

Para activar genes sensibles a la luz, el equipo dirigido por el profesor Zhang Yong de NUS Biomedical Engineering utilizó las nanopartículas y superbolas para 'convertir' la luz del infrarrojo cercano (NIR) en energías más altas de luz visible. Dado que la luz NIR penetra profundamente, este enfoque se puede utilizar para muchos tratamientos de tejidos profundos.

Nanopartículas para controlar la frecuencia cardíaca

El profesor Zhang y su equipo inventaron nuevas nanopartículas que emiten luz roja o verde, dependiendo de la longitud de onda de la radiación NIR utilizada para excitarlos. Las nanopartículas irradian luz roja cuando son excitadas por un rayo láser con una longitud de onda de 980 nanómetros. y luz verde cuando la longitud de onda del rayo láser se reduce a 808 nanómetros.

Además de ser de dos colores diferentes, la luz emitida por estas nanopartículas se puede utilizar para la activación bidireccional. Esto es diferente de las terapias optogenéticas actuales que utilizan nanopartículas, que solo puede activarse de forma monodireccional. "Como tal, podemos manipular intrincadamente un proceso biológico, o algunos pasos del proceso, en diferentes direcciones o programáticamente, "explicó el profesor Zhang.

Los investigadores demostraron que era posible utilizar estas partículas para controlar la frecuencia de los latidos en las células modificadas del músculo cardíaco. Al controlar ópticamente dos canales activados por luz conocidos como Jaws y VChR1 en la misma celda, pudieron alterar la velocidad de los latidos del corazón. La luz roja ralentizó el ritmo cardíaco y la luz verde lo aceleró.

Estas nanopartículas constan de un núcleo interno rico en erbio, rodeado por capas de iterbio y materiales dopados con neodimio. "Para generar tales emisiones de fluorescencia ortogonales, normalmente necesitamos dopar múltiples iones de lantánidos en los nanocristales. En nuestro estudio, esto se logra utilizando un solo ión ”. Esta innovación de los investigadores asegura que todas las emisiones ortogonales provienen de iones de erbio.

En lo que respecta a este avance material e innovación de aplicaciones, El profesor Zhang dijo:"Esta demostración proporciona un gran paso adelante hacia el control programable de vías multidireccionales, y también ofrece interesantes oportunidades para aplicaciones en muchos otros procesos biológicos interactivos sinérgicamente, como diagnósticos y terapias ".

Los resultados de este estudio fueron publicados en la revista Comunicaciones de la naturaleza el 27 de septiembre de 2019 y se informó como un punto destacado de la investigación el 4 de octubre de 2019.

Superbolas para activar medicamentos contra el cáncer

Además de las nuevas nanopartículas, El profesor Zhang y su equipo sintetizaron recientemente grupos de dos nanopartículas diferentes a las que llamaron 'superbolas'. De manera similar a las nuevas nanopartículas, estas superbolas emiten luz de diferentes colores cuando se excitan con diferentes longitudes de onda de radiación NIR. Irradian luz roja cuando son excitados por un rayo láser con una longitud de onda de 980 nanómetros, y luz ultravioleta / azul cuando la longitud de onda del rayo láser se reduce a 808 nanómetros.

Estas nuevas superbolas se utilizaron luego para mejorar un procedimiento de tratamiento fotodinámico del cáncer.

Cuando las superbolas se excitaron enérgicamente para irradiar luz roja, pudieron entrar en una celda. Próximo, estaban emocionados de irradiar luz ultravioleta / azul para aumentar la sensibilidad de las células a las especies reactivas de oxígeno. Finalmente, estaban emocionados de irradiar luz roja nuevamente para activar fármacos fotosensibles para producir especies reactivas de oxígeno. Estas especies reactivas de oxígeno pueden entonces inducir la muerte de las células tumorales.

Con este avance en la investigación, los científicos de NUS han desarrollado un sencillo método fácil de usar para sintetizar estas superbolas. La forma, El tamaño e incluso las longitudes de onda de excitación / emisión de las superbolas se pueden modificar dependiendo de la aplicación necesaria.

Los resultados de este estudio se publicaron en Comunicaciones de la naturaleza el 8 de octubre de 2019.

Próximos pasos

Las aplicaciones de estas nanopartículas y superbolas son numerosas. "Esto será de interés para biólogos y clínicos en diferentes campos, especialmente aquellos que trabajan en fototerapia, incluida la terapia fotodinámica, terapia fototermal, suministro de fármacos / genes controlados por luz, y optogenética, "dijo el profesor Zhang

Para las próximas etapas de la investigación, El profesor Zhang explicó:"Por último, El objetivo de este proyecto es utilizar electrónica inalámbrica junto con nanopartículas para terapias fotodinámicas mejoradas que pueden tratar tumores grandes en tejidos profundos ". Como tal, los investigadores continuarán desarrollando materiales novedosos e inventando aplicaciones innovadoras en esta área.