Gli scienziati del Trinity College di Dublino e del Royal College of Surgeons in Irlanda hanno sviluppato coloranti fluorescenti innovativi che cambiano colore per visualizzare diversi ambienti biologici utilizzando un unica sostanza. Questi coloranti, capaci di “accendersi” e “spegnersi” in base alla loro posizione all’interno delle strutture cellulari, consentono l’imaging in tempo reale e ad alto contrasto dei processi cellulari.
Questa ricerca, pubblicata sulla rivista Chem, apre la strada a progressi nel biorilevamento, nell’imaging della somministrazione di farmaci e nello studio della dinamica cellulare. La ricerca promette un’ampia gamma di applicazioni in biologia e medicina.
Coloranti fluorescenti per studiare le cellule
I ricercatori del Trinity College di Dublino, in collaborazione con il Royal College of Surgeons in Ireland (RCSI), hanno sviluppato speciali coloranti fluorescenti che cambiano tonalità che, per la prima volta, possono essere utilizzati per visualizzare simultaneamente più ambienti biologici distinti utilizzando un solo tipo di tintura.
Quando i coloranti fluorescenti vengono incapsulati nei recipienti di somministrazione, come quelli utilizzati in tecnologie come i vaccini COVID-19, si “accendono” ed emettono luce attraverso un processo chiamato “emissione indotta dall’aggregazione” (AIE). Subito dopo il trasferimento nelle cellule, la loro luce si “spegne” prima di “accendersi” di nuovo una volta che le cellule trasportano le tinture nelle goccioline lipidiche cellulari.
Poiché la luce proveniente dall’interno delle cellule è di colore diverso e si verifica in una finestra temporale differente rispetto alla luce proveniente dallo stesso colorante all’interno dei vasi di erogazione, i ricercatori possono utilizzare una tecnica chiamata “fluorescent life imaging” (FLIM) per distinguere tra i due ambienti in tempo reale.
Il primo autore, il dottor Adam Henwood, ricercatore senior presso la Scuola di Chimica e con sede presso il Trinity Biomedical Sciences Institute (TBSI), ha lavorato a questo progetto con la dottoranda Connie Sigurvinsson.
Il dottor Henwood ha spiegato: “Il bioimaging si basa su coloranti “on/off” in cui questi emettono luce solo in una serie di condizioni ma per il resto sono spenti. Questo è estremamente utile, ma significa che si può osservare solo un posto alla volta al microscopio”.
“La parte interessante di questo lavoro è che i nostri coloranti fluorescenti raggiungono un punto ottimale che conferisce loro proprietà distintive di accensione/spegnimento/accensione e, cosa fondamentale, possiamo sia osservare che differenziare questi diversi stati “accesi”.
“Quindi entrambi vediamo di più e vediamo meglio di prima. Lo facciamo cronometrando il tempo impiegato dalla luce proveniente dai nostri campioni per raggiungere il microscopio: la luce proveniente dai vasi di erogazione impiega leggermente più tempo della luce proveniente dall’interno delle cellule“.
“Raccogliendo segnali luminosi sufficienti, possiamo utilizzare queste informazioni per creare rapidamente immagini 3D precise dei due diversi ambienti di tintura. Le differenze temporali sono piccole – solo pochi miliardesimi di secondo in ogni caso – ma il nostro metodo è abbastanza sensibile da catturarle”.
I coloranti fluorescenti rivoluzioneranno gli approcci di biorilevamento e imaging
Questa qualità unica dei coloranti fluorescenti significa che potrebbero avere una vasta gamma di applicazioni e, ad esempio, avere il potenziale per rivoluzionare gli approcci di biorilevamento e imaging.
Poiché i coloranti fluorescenti possono aiutare gli scienziati a mappare le strutture complesse all’interno delle cellule viventi con un contrasto e una specificità così elevati, potrebbero aiutare a chiarire come i farmaci vengono assorbiti e metabolizzati dalle cellule o consentire agli scienziati di progettare e condurre una serie di nuovi esperimenti per migliorare la nostra comprensione di il complesso funzionamento interno delle cellule e il loro importantissimo macchinario biochimico.
Gli studiosi si sono concentrati sull’uso dei coloranti fluorescenti per ottenere l’immagine delle goccioline di lipidi cellulari (grasso), che sono un esempio di importanti “organelli” che compongono le cellule viventi nella maggior parte degli organismi complessi (come noi umani).
Si ritiene ora che le goccioline lipidiche, un tempo considerate semplici “serbatoi di grasso”, svolgano un ruolo importante nella regolazione del metabolismo cellulare, nel coordinamento dell’assorbimento, della distribuzione, della conservazione e dell’uso dei lipidi nelle cellule.
A causa di questa crescente comprensione della loro importanza e poiché cambiamenti improvvisi nella loro attività spesso indicano stress cellulare, costituiscono un utile scenario di prova per i coloranti fluorescenti. Una potenziale strada per ulteriori ricerche è vedere se il team può targettizzare altri importanti organelli cellulari con i loro coloranti.
Thorfinnur Gunnlaugsson, Professore di chimica presso la Scuola di Chimica del Trinity e con sede a TBSI, autore senior dell’articolo, ha detto: “Essere in grado di monitorare la funzione cellulare o il flusso di molecole o candidati farmaci all’interno delle cellule osservando diversi colori di emissione di fluorescenza è estremamente interessante“.
“La svolta qui è che possiamo risolvere e utilizzare la differenza nella loro durata di fluorescenza per identificare queste stesse sonde all’interno di diversi ambienti cellulari in modo rapido e accurato, permettendoci letteralmente di mappare il loro colorato “viaggio nel tempo” all’interno delle cellule“.
Potenziali applicazioni future dei coloranti fluorescenti
“La cosa più interessante, tuttavia, è che questo fenomeno non si applica all’imaging cellulare. Questi risultati aprono nuove possibilità in ogni campo, dallo studio della biologia chimica, a molte altre applicazioni mediche e persino alla generazione di nuovi materiali funzionali da utilizzare oltre la biologia. Qualsiasi molecola o nanomateriale che richieda un movimento molecolare controllato può, in linea di principio, essere mappato e messo a punto utilizzando i coloranti fluorescenti”.
Gli studiosi che hanno sviluppato la ricerca prevedono molte nuove possibilità per i coloranti fluorescenti, indicando la loro eccezionale sensibilità come attraente per lo sviluppo di sensori di inquinanti ambientali pericolosi o utilizzando le loro proprietà luminose e di emissione di luce per alimentare trasformazioni chimiche, analoghe alla fotosintesi della natura.
La ricerca ha un’impronta sia internazionale (sono rappresentate otto nazioni) che irlandese, con i principali organismi finanziatori di quest’ultima, l’Irish Research Council (IRC) e la Science Foundation Ireland, che svolgono entrambi ruoli critici di sostegno finanziario.
Il più notevole è il Centro di ricerca farmaceutico di SFI, SSPC, che ha finanziato principalmente il lavoro, oltre ai contributi del centro SFI AMBER e attraverso il Centro EPSRC-SFI per il programma di formazione dottorale con sede in AMBER.
Il Professore Damien Thompson, docente di Fisica presso l’Università di Limerick e Direttore dell’SSPC, ha affermato: “Come centro, continuiamo ad andare avanti e a creare nuova conoscenza nell’interfaccia tra materiali e biologia. Questo lavoro di collaborazione tra due dei nostri principali ricercatori presso il Trinity e l’RCSI mette in mostra il potere della scienza fondamentale nel guidare l’innovazione in medicina”.
“Più osserviamo da vicino l’interfaccia molecola-cellula e, soprattutto, meglio possiamo vedere, in tempo reale, come le molecole si diffondono da un posto all’altro all’interno dei nanomacchinari cellulari, più ci avviciniamo alla realizzazione del sogno di Richard Feynman di comprendere tutto ciò che gli esseri viventi si muovono a causa del movimento e dell’oscillazione degli atomi“.
“Solo di recente i ricercatori hanno avuto risorse sperimentali e computazionali sufficienti per tracciare questi movimenti e vibrazioni in ambienti biologici complessi. Questo nuovo entusiasmante lavoro dimostra un’imaging più specifico e ad alto contrasto delle dinamiche subcellulari, che a sua volta consentirà ai ricercatori di sviluppare formulazioni farmaceutiche più efficaci con effetti collaterali ridotti”.
Il Professor Donal O’Shea, che ha supervisionato l’indagine, è un esperto di imaging cellulare presso il Dipartimento di Chimica e Super-Resolution Imaging Consortium di RCSI (finanziato dalla Science Foundation Ireland, SFI). Ha concluso: “Il nostro utilizzo di FLIM per tracciare le interazioni dinamiche dell’AIE con le cellule viventi è un approccio che può avere un’ampia applicabilità per altri sistemi di coloranti fluorescenti consentendo di ottenere informazioni precedentemente nascoste”.
