دانشمندان رنگ های تغییر دهنده رنگی را تولید کردند که فعالیت سلولی را روشن می کند

دانشمندان کالج ترینیتی دوبلین، با همکاری کالج سلطنتی جراحان در ایرلند (RCSI)، رنگ‌های فلورسنت ویژه‌ای ایجاد کرده‌اند که تغییر رنگ می‌دهند که برای اولین بار می‌توان از آن برای تجسم همزمان چندین محیط زیستی مجزا تنها با استفاده از یک مفرد استفاده کرد. رنگ

وقتی این رنگ‌ها در ظروف تحویل محصور می‌شوند، مانند رنگ‌هایی که در فناوری‌هایی مانند واکسن‌های کووید-۱۹ استفاده می‌شوند، از طریق فرآیندی به نام «گسیل‌های ناشی از تجمع» (AIE) «روشن» می‌شوند و نور می‌تابند. به زودی پس از تحویل به سلول، نور آنها “خاموش” می شود و دوباره “روشن” می شود، هنگامی که سلول ها رنگ ها را به قطرات لیپید سلولی منتقل می کنند.

از آنجایی که نوری که از داخل سلول‌ها می‌آید، رنگ متفاوتی دارد و در یک پنجره زمانی متفاوت نسبت به نوری که از همان رنگ در داخل رگ‌های تحویل می‌آید رخ می‌دهد، محققان می‌توانند از تکنیکی به نام «تصویربرداری طول عمر فلورسانس» (FLIM) برای تشخیص استفاده کنند. بین دو محیط در زمان واقعی.

این کار اخیراً در مجله بین المللی برجسته Chem منتشر شده است . نویسنده اول، دکتر آدام هنوود، پژوهشگر ارشد در دانشکده شیمی و مستقر در موسسه علوم بیومدیکال ترینیتی (TBSI)، با دانشجوی دکترا، کونی سیگوروینسون، روی این طرح کار کرد. 

دکتر هنوود توضیح داد:  «تصویربرداری زیستی به رنگ‌های «روشن/خاموش» متکی است که در آن رنگ‌ها فقط تحت یک سری شرایط نور ساطع می‌کنند اما در غیر این صورت خاموش می‌شوند. این بسیار مفید است، اما به این معنی است که شما فقط می توانید در یک زمان در زیر میکروسکوپ خود به یک مکان نگاه کنید. بخش هیجان‌انگیز این کار این است که رنگ‌های ما به نقطه‌ای شیرین برخورد می‌کنند که ویژگی‌های متمایز روشن/خاموش/روشن به آن‌ها می‌دهد و مهم‌تر، ما می‌توانیم این حالت‌های مختلف «روشن» را هم مشاهده و هم متمایز کنیم. 

بنابراین، ما هم بیشتر می بینیم و هم بهتر از قبل می بینیم. ما این کار را با زمان‌بندی مدت زمانی که طول می‌کشد تا نوری که از نمونه‌های ما می‌آید به میکروسکوپ برسد انجام می‌دهیم: نور رگ‌های تحویل‌دهنده زمان بیشتری نسبت به نور درون سلول‌ها می‌گیرد. با جمع‌آوری سیگنال‌های نوری کافی، می‌توانیم از این اطلاعات برای ایجاد سریع تصاویر سه بعدی دقیق از دو محیط رنگی مختلف استفاده کنیم. تفاوت‌های زمانی کوچک هستند – در هر صورت فقط چند میلیاردم ثانیه – اما روش ما به اندازه‌ای حساس است که بتوانیم آن را ثبت کنیم.   

این کیفیت منحصر به فرد به این معنی است که رنگ ها می توانند مجموعه عظیمی از کاربردها داشته باشند و به عنوان مثال، پتانسیل ایجاد انقلابی در رویکردهای سنجش زیستی و تصویربرداری را داشته باشند.

از آنجایی که این رنگ‌ها می‌توانند به دانشمندان کمک کنند تا ساختارهای پیچیده درون سلول‌های زنده را با کنتراست و ویژگی بالا ترسیم کنند، می‌توانند نحوه جذب و متابولیسم داروها توسط سلول‌ها را روشن کنند یا به دانشمندان اجازه دهند طیف وسیعی از آزمایش‌های جدید را طراحی و انجام دهند تا درک بهتری از ما از عملکرد پیچیده درونی سلول ها و ماشین آلات بیوشیمیایی بسیار مهم آنها.

در مقاله منتشر شده در ژورنال، دانشمندان بر استفاده از رنگ‌ها برای تصویربرداری از قطرات لیپید سلولی (چربی) تمرکز کردند، که نمونه‌ای از “ارگانل‌های” مهمی هستند که سلول‌های زنده را در بیشتر موجودات پیچیده (مانند ما انسان‌ها) می‌سازند. 

امروزه اعتقاد بر این است که قطرات چربی که زمانی به عنوان “مخزن چربی” ساده در نظر گرفته می شدند، نقش مهمی در تنظیم متابولیسم سلولی و هماهنگی جذب، توزیع، ذخیره سازی و استفاده از لیپید در سلول ها ایفا می کنند. به دلیل این درک رو به رشد از اهمیت آنها، و از آنجا که تغییرات ناگهانی در فعالیت آنها اغلب نشان دهنده استرس سلولی است، آنها به عنوان یک سناریوی آزمایشی مفید برای رنگ ها عمل می کنند. یکی از راه های بالقوه تحقیقات بیشتر این است که ببینند آیا این تیم می تواند سایر اندامک های سلولی مهم را با رنگ هایشان هدف قرار دهد یا خیر.

Thorfinnur Gunnlaugsson، استاد شیمی در دانشکده شیمی در ترینیتی و مستقر در TBSI، نویسنده ارشد مقاله است. او گفت:

“توانایی نظارت بر عملکرد سلولی یا جریان مولکول ها یا داروها در داخل سلول ها با مشاهده رنگ های مختلف انتشار فلورسانس بسیار جذاب است. پیشرفت در اینجا این است که ما می توانیم تفاوت در طول عمر فلورسانس آنها را برای شناسایی این کاوشگرهای مشابه در محیط های سلولی مختلف به روشی سریع و دقیق حل کرده و استفاده کنیم، و به معنای واقعی کلمه به ما امکان می دهد “سفر زمان” رنگارنگ آنها را در سلول ها ترسیم کنیم. 

با این حال، جالب‌ترین چیز این است که این پدیده فقط برای تصویربرداری سلولی قابل استفاده نیست. این نتایج فرصت‌های جدیدی را در همه چیز باز می‌کند، از مطالعه زیست‌شناسی شیمیایی، همانطور که در اینجا نشان دادیم، تا بسیاری از کاربردهای پزشکی دیگر و حتی در تولید مواد کاربردی جدید برای استفاده فراتر از زیست‌شناسی. هر ماده مولکولی یا نانویی که نیاز به حرکت مولکولی کنترل شده داشته باشد، در اصل می تواند با استفاده از روش جدید ما نقشه برداری و تنظیم دقیق شود.

و در واقع، اینجاست که نویسندگان قصد دارند شبکه را دور و بر پرتاب کنند. آنها بسیاری از احتمالات جدید را برای این رنگ‌ها در نظر می‌گیرند و به حساسیت استثنایی آن‌ها اشاره می‌کنند که برای توسعه حسگرهای آلاینده‌های خطرناک محیطی یا استفاده از ویژگی‌های درخشان و تابش نور آن‌ها برای تقویت دگرگونی‌های شیمیایی، مشابه فتوسنتز خود طبیعت، جذاب هستند.

این پژوهش هم جنبه بین‌المللی دارد (هشت کشور نمایندگی دارند) و هم احساس ایرلندی به آن، با نهادهای مالی کلیدی دومی، شورای تحقیقات ایرلند (IRC) و بنیاد علمی ایرلند، هر دو نقش‌های حمایت مالی حیاتی را ایفا می‌کنند. قابل توجه‌ترین مرکز تحقیقاتی SFI برای داروسازی، SSPC است که اساساً این کار را تأمین مالی کرده است، و همچنین کمک‌های مرکز SFI AMBER و از طریق مرکز EPSRC-SFI برای برنامه آموزش دکتری مستقر در AMBER. 

پروفسور دیمین تامپسون، پروفسور فیزیک در دانشگاه لیمریک و مدیر SSPC، گفت: “به عنوان یک مرکز، ما همچنان به پیشروی و ایجاد دانش جدید در رابط مواد و زیست شناسی ادامه می دهیم. این کار مشترک بین دو تن از محققین اصلی ما در ترینیتی و RCSI قدرت علم بنیادی را برای هدایت نوآوری در پزشکی به نمایش می گذارد. هر چه به رابط مولکول-سلول نزدیک‌تر نگاه کنیم، و مهمتر از همه، بهتر می‌توانیم در زمان واقعی نحوه انتشار مولکول‌ها از مکانی به مکان دیگر در نانوماشین سلولی را ببینیم، به تحقق رویای ریچارد فاینمن برای درک همه چیز نزدیک‌تر می‌شویم. موجودات زنده از تکان خوردن و تکان دادن اتم ها انجام می دهند. 

اما اخیراً محققان منابع تجربی و محاسباتی کافی برای ردیابی این حرکات و ارتعاشات در محیط‌های پیچیده بیولوژیکی داشته‌اند. این کار جدید هیجان‌انگیز، تصویربرداری خاص‌تر و با کنتراست بالا از پویایی درون سلولی را نشان می‌دهد، که به نوبه خود محققان را قادر می‌سازد تا فرمول‌های دارویی مؤثرتری با عوارض جانبی کاهش‌یافته تولید کنند.

پروفسور Donal O’Shea که بر این تحقیق نظارت داشت، متخصص در تصویربرداری سلولی مستقر در دپارتمان شیمی و کنسرسیوم تصویربرداری با وضوح فوق العاده RCSI است (با بودجه بنیاد علمی ایرلند، SFI). وی افزود: «استفاده ما از FLIM برای ردیابی تعاملات دینامیک AIE با سلول‌های زنده، رویکردی است که می‌تواند کاربرد گسترده‌ای برای سایر سیستم‌های فلوروفور داشته باشد و امکان به دست آوردن بینش‌هایی را که قبلاً پنهان بودند، می‌دهد.»

– این بیانیه مطبوعاتی در ابتدا در وب سایت کالج ترینیتی دوبلین منتشر شد