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Une nouvelle invention de changement de couleur permet un « voyage dans le temps » dans les cellules

SciTechDaily

Des scientifiques du Trinity College de Dublin et du Royal College of Surgeons d’Irlande ont développé des colorants fluorescents innovants qui changent de couleur pour visualiser différents environnements biologiques à l’aide d’un seul colorant. Ces colorants, capables de « s’allumer » et de « s’éteindre » en fonction de leur emplacement dans les structures cellulaires, permettent une imagerie en temps réel et à contraste élevé des processus cellulaires. Cette avancée, publiée dans la revue Chem, ouvre la voie à des progrès dans les domaines de la biodétection, de l’imagerie de l’administration de médicaments et de l’étude de la dynamique cellulaire. La recherche bénéficie d’une collaboration internationale et d’un financement important de la part d’organismes de recherche irlandais, promettant un large éventail d’applications en biologie et en médecine. Crédit : Issues.fr.com

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

Lorsque ces colorants sont encapsulés dans des récipients de livraison, comme ceux utilisés dans des technologies comme le COVID 19 Dans les vaccins, ils « s’allument » et émettent de la lumière via un processus appelé « émission induite par agrégation » (AIE). Peu de temps après leur introduction dans les cellules, leur lumière « s’éteint » avant de se « rallumer » une fois que les cellules transportent les colorants dans des gouttelettes lipidiques cellulaires.

Techniques d’imagerie avancées

Étant donné que la lumière provenant de l’intérieur des cellules est d’une couleur différente et se produit dans une fenêtre de temps différente de celle provenant du même colorant à l’intérieur des vaisseaux d’administration, les chercheurs peuvent utiliser une technique appelée « imagerie à vie par fluorescence » (FLIM) pour distinguer entre les deux environnements en temps réel.

Les travaux ont été récemment publiés dans la principale revue internationale, Chimique. Le premier auteur, le Dr Adam Henwood, chercheur principal à l’École de chimie et basé au 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 « marche/arrêt » dans lesquels les colorants n’émettent de la lumière que dans un ensemble de conditions, mais sont autrement désactivés. C’est extrêmement utile, mais cela signifie que vous ne pouvez regarder qu’un seul endroit à la fois sous votre microscope. Ce qui est passionnant dans ce travail, c’est que nos colorants atteignent un point idéal qui leur confère des propriétés on/off/on distinctives et, surtout, nous pouvons à la fois observer et différencier ces différents états « on ».

« Ainsi, nous voyons tous les deux plus et mieux qu’avant. Pour ce faire, nous chronométrons le temps nécessaire à la lumière provenant de nos échantillons pour atteindre le microscope : la lumière provenant des récipients de délivrance prend légèrement plus de temps que la lumière provenant de l’intérieur des cellules. En collectant suffisamment de signaux lumineux, nous pouvons utiliser ces informations pour créer rapidement des images 3D précises des deux environnements de colorants différents. Les différences temporelles sont faibles – quelques milliardièmes de seconde dans les deux cas – mais notre méthode est suffisamment sensible pour les capturer.

Cette qualité unique signifie que les colorants pourraient avoir une vaste gamme d’applications et, par exemple, avoir le potentiel de révolutionner les approches de biodétection et d’imagerie.

Modifications de luminescence du même colorant passant du solvant organique pur à l'eau

Changements de luminescence du même colorant passant du solvant organique pur, à gauche, à l’eau, à droite. Crédit : Dr Adam Henwood, Trinity College Dublin

Parce que ces colorants peuvent aider les scientifiques à cartographier les structures complexes au sein des cellules vivantes avec un contraste et une spécificité si élevés, ils pourraient aider à comprendre comment les médicaments sont absorbés et métabolisés par les cellules ou permettre aux scientifiques de concevoir et de mener une série de nouvelles expériences pour mieux comprendre. le fonctionnement interne complexe des cellules et leur machinerie biochimique très importante.

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

On pense désormais que les gouttelettes lipidiques, autrefois considérées comme de simples « réservoirs de graisse », jouent un rôle important dans la régulation du métabolisme cellulaire, en coordonnant l’absorption, la distribution, le stockage et l’utilisation des lipides 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 de recherche ultérieure 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 Trinity et basé au TBSI, est l’auteur principal de l’article. Il a dit:

« Être capable de surveiller la fonction cellulaire ou le flux de molécules ou de candidats médicaments dans les cellules en observant différentes couleurs d’émission de fluorescence est extrêmement attrayant. La percée ici est que nous pouvons résoudre et utiliser la différence dans leurs durées de vie de fluorescence pour identifier ces mêmes sondes dans différents environnements cellulaires de manière rapide et précise, nous permettant littéralement de cartographier leur « voyage dans le temps » coloré au sein des cellules.

« Le plus intéressant, cependant, est que ce phénomène ne s’applique pas à l’imagerie cellulaire. Ces résultats ouvrent de nouvelles possibilités dans tous les domaines, depuis l’étude de la biologie chimique, comme nous l’avons montré ici, jusqu’à de nombreuses autres applications médicales et même dans la génération de nouveaux matériaux fonctionnels destinés à une utilisation au-delà de la biologie. Tout matériau moléculaire ou nanomatériau nécessitant un mouvement moléculaire contrôlé peut en principe être cartographié et affiné à l’aide de notre nouvelle méthode.

Applications potentielles et orientations futures

Et c’est effectivement ici que les auteurs entendent ratisser large. Ils envisagent de nombreuses nouvelles possibilités pour ces colorants, soulignant que leur sensibilité exceptionnelle est intéressante pour développer des capteurs de polluants environnementaux dangereux ou pour utiliser leurs propriétés lumineuses et émettrices de lumière pour alimenter des transformations chimiques, analogues à celles de la nature. photosynthèse.

La recherche a une dimension à la fois internationale (huit pays sont représentés) et irlandaise, les principaux organismes de financement de cette dernière, l’Irish Research Council (IRC) et la Science Foundation Ireland, jouant tous deux un rôle de soutien financier essentiel. Le plus remarquable est le centre de recherche sur les produits pharmaceutiques de SFI, SSPC, qui a principalement financé le travail, ainsi que les contributions du centre SFI AMBER et du centre EPSRC-SFI basé sur AMBER pour le programme de formation doctorale.

Le professeur Damien Thompson, professeur de physique à l’université de Limerick et directeur du SSPC, a déclaré : « En tant que centre, nous continuons à avancer et à créer de nouvelles connaissances à l’interface des matériaux et de 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 examinons de près l’interface molécule-cellule et, surtout, mieux nous pouvons voir, en temps réel, comment les molécules se diffusent d’un endroit à l’autre à l’intérieur des nanomachines cellulaires, plus nous nous rapprochons de la réalisation du rêve de Richard Feynman de comprendre tout ce qui les êtres vivants le font grâce aux mouvements et aux secousses 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 permettra à son tour aux chercheurs de développer des formulations médicamenteuses plus efficaces avec des effets secondaires réduits.

Le professeur Donal O’Shea, qui a supervisé l’enquête, est un expert en imagerie cellulaire basé au Département de chimie et au Consortium d’imagerie à super-résolution du RCSI (financé par la Science Foundation 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 peut avoir une large applicabilité pour d’autres systèmes de fluorophores, permettant d’acquérir des informations qui étaient auparavant cachées. »

L’étude a été financée par le Conseil irlandais de la recherche et la Science Foundation Ireland.

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