色が変わる新しい発明により、細胞内での「タイムトラベル」が可能になる

ダブリンのトリニティ・カレッジとアイルランド王立外科医大学の科学者は、色を変化させて単一の色素を使用してさまざまな生物学的環境を視覚化する革新的な蛍光色素を開発しました。 これらの色素は、細胞構造内の位置に基づいて「オン」または「オフ」にすることができ、リアルタイムでの細胞プロセスの高コントラストイメージングを可能にします。 Chem 誌に掲載されたこの画期的な成果は、バイオセンシング、薬物送達のイメージング、および細胞動態の研究の進歩への道を切り開きます。 この研究は国際協力とアイルランドの研究機関からの多大な資金提供の恩恵を受けており、生物学や医学における幅広い応用が期待されています。 クレジット: SciTechDaily.com

ダブリントリニティカレッジの研究者は、アイルランド王立外科医協会（RCSI）と協力して、単一の薬剤で複数の異なる生物学的環境を同時に視覚化するために初めて使用できる特殊な色が変化する蛍光色素を開発しました。 。 染料。

これらの色素が、例えば技術で使用されるような伝導容器にカプセル化されると、 COVID-19（新型コロナウイルス感染症 ワクチンは、「凝集誘起放出」（AIE）と呼ばれるプロセスを通じて「オン」になり、光を放出します。 細胞に到達するとすぐに光が「オフ」になり、細胞が色素を細胞の脂肪滴に移すと再び「オン」になります。

高度なイメージング技術

細胞内から来る光は異なる色を持ち、導電性容器内の同じ色素から来る光とは異なる時間枠で発生するため、研究者は蛍光寿命イメージング (FLIM) と呼ばれる技術を使用して、2 つの環境をリアルタイムで区別できます。

この研究は最近、主要な国際ジャーナルに掲載されました。 化学。 筆頭著者であるアダム・ヘンウッド博士は、トリニティ生物医学研究所（TBSI）に本拠を置く化学科の上級研究員であり、博士課程の学生であるコニー・シガービンソンとともにこの設計に取り組みました。

「バイオイメージングは​​「オン/オフ」色素に依存しており、色素は一組の条件下でのみ発光し、それ以外の場合はオフになります。これは非常に便利ですが、一度に 1 つの場所しか観察できないことを意味します。この研究の興味深い点は、顔料が明確なオン/オフ/オンの特性を与えるスイート スポットに到達しており、さらに重要なことに、これらの異なる「オン」状態を観察して区別できることです。

「したがって、私たちは両方とも以前よりもより多くのものが見えるようになり、よりよく見えるようになりました。これは、サンプルからの光が顕微鏡に到達するまでの時間を計ることによって行われます。伝導容器からの光は、細胞内部からの光よりも少し時間がかかります。十分な光を集めることで、信号 「この情報を使用して、2 つの異なる色素環境の正確な 3D 画像を迅速に構築できます。時間差は小さく、どちらの場合もわずか数十億分の 1 秒ですが、私たちの方法はそれらを検出するのに十分な感度を備えています。」

このユニークな性質は、色素が幅広い用途に使用できることを意味し、たとえば、バイオセンシングおよびイメージング方法に革命をもたらす可能性を秘めています。

同じ色素でも、純粋な有機溶媒（左）から水（右）に移動すると、発光が変化します。 出典: アダム・ヘンウッド博士、ダブリン・トリニティ・カレッジ

これらの色素は、科学者が生細胞内の複雑な構造を非常に高いコントラストと特異性でマッピングするのに役立つため、細胞がどのように薬物を取り込んで代謝するかを解明するのに役立ち、科学者が薬物の理解を向上させるためにさまざまな新しい実験を計画して実行できるようになります。細胞。 細胞の複雑な内部動作とその重要な生化学機構。

同誌に掲載された論文の中で、科学者らは細胞の脂肪滴を画像化するために色素を使用することに焦点を当てた。脂肪滴は、ほとんどの複雑な生物（私たち人間など）の生きた細胞を構成する重要な「細胞小器官」の一例である。

以前は単純な「脂肪貯蔵庫」と考えられていた脂肪滴は、現在では細胞代謝の調節、細胞内での脂肪の取り込み、分布、貯蔵、利用を調整する上で重要な役割を果たしていると考えられています。 それらの重要性に対する理解が深まり、またその活性の突然の変化は細胞ストレスを示すことが多いため、それらは色素の有用なテストケースシナリオとして機能します。 さらなる研究の可能性のある手段の 1 つは、チームが他の重要な細胞小器官を色素で標的にできるかどうかを確認することです。

トリニティ大学化学科の化学教授であり、TBSI に拠点を置く Thorfinnur Gunnlaugsson がこの論文の筆頭著者です。 彼は言った：

「さまざまな蛍光発光色をモニタリングすることで、細胞機能や細胞内の分子や薬剤候補の流動をモニタリングできることは、非常に魅力的です。ここでの画期的な点は、蛍光寿命の変動を解決し、それを利用して、異なる内部の同じセンサーを識別できることです。」これにより、文字どおり、細胞内のカラフルな「タイムトラベル」をマッピングできるようになります。

「しかし、さらに興味深いのは、この現象が細胞イメージングには当てはまらないということです。これらの結果は、ここで示したケミカルバイオロジーの研究から、他の多くの医療応用、さらには新しい機能性材料の生成に至るまで、あらゆる分野で新たな可能性を開きます」制御可能な分子運動を必要とするあらゆる分子またはナノ材料は、原理的には、私たちの新しい方法を使用して正確にマッピングし、微調整することができます。

潜在的なアプリケーションと将来の傾向

実際、これは著者が広く網を投じようとしているところです。 彼らは、これらの染料の多くの新たな可能性を構想しており、危険な環境汚染物質のセンサーを開発したり、その明るい発光特性を利用して天然のものと同様の化学変化を引き起こすのに魅力的であるとしてその卓越した感度を挙げている。 光合成。

この研究には国際的な性格（8か国が参加）とアイルランドの雰囲気があり、アイルランド研究評議会（IRC）やアイルランド科学財団など後者の主要な資金提供団体が財政的支援において重要な役割を果たしている。 最も注目に値するのは、SFI の製薬研究センター (SSPC) であり、SFI AMBER センターおよび AMBER ベースの博士課程訓練プログラムの EPSRC-SFI センターからの寄付により、主にこの研究に資金を提供しました。

リムリック大学物理学教授でSSPC所長のダミアン・トンプソン教授は次のように述べています。 トリニティと RCSI の主任研究員 2 名によるこの共同研究は、医学の革新を推進する基礎科学の力を示しています。 細胞と分子の界面を詳しく観察すればするほど、そしてさらに重要なことに、分子が細胞のナノマシン内で場所から場所へどのように拡散するかをリアルタイムでよりよく確認できるようになり、すべてを理解するというリチャード・ファインマンの夢の実現に近づくことになります。生物はそうします、原子の振動と振動から。

「しかし、研究者が複雑な生物学的環境におけるこれらの動きや振動を追跡するための十分な実験リソースと計算リソースを手に入れたのはつい最近のことです。このエキサイティングな新しい研究は、細胞内ダイナミクスのより具体的で高コントラストのイメージングを実証しており、これにより研究者はより効果的な薬剤を開発できるようになります」副作用の少ない製剤。」

調査を監督したドナル・オシェア教授は、RCSIの化学科および超解像度イメージング・コンソーシアム（アイルランド科学財団SFIの資金提供）に所属する細胞イメージングの専門家である。 同氏はさらに、「生細胞との動的なAIE相互作用を追跡するためのFLIMの使用は、他の蛍光色素システムに広く適用できる可能性のあるアプローチであり、これまで隠されていた洞察を得ることができる。」と付け加えた。

参考文献：「色が変化する AIE ナノ粒子を使用した時間分解蛍光イメージング、「オン/オン」」、Adam F. Henwood、Niamh Curtin、Sandra Estalayo-Adrián、Alamballi J. Savyasachi、Tómas A. Gudmundsson、 June I. ラヴェット、L. コンスタンス・シグルビンソン、ハンナ・L. ダルトン、クリス S. ハウズ、ドゥニ ジャクミン、ドナル F. オシェイ、ソーヴナー・ガンロイグソン、2023 年 12 月 1 日、 化学。
DOI: 10.1016/j.chempr.2023.10.001

この研究はアイルランド研究評議会とアイルランド科学財団から資金提供を受けた。