La technique biologique de « l'optogénétique » utilise la lumière pour contrôler les cellules dans les tissus vivants qui ont été génétiquement modifiées pour être sensibles à la lumière. Cependant, il y a un contrôle limité de processus comme celui-ci, comme la lumière peut activer plusieurs gènes à la fois, et une lumière pénétrant profondément est souvent nécessaire pour atteindre les gènes dans les tissus vivants.

Maintenant, des chercheurs de NUS ont développé une méthode pour donner plus de contrôle à ce processus, en utilisant des nanoparticules et des nanoclusters spécialement conçus (appelés « superballes »). Ces nanoparticules et superballes peuvent émettre différentes couleurs de lumière lorsqu'elles sont excitées par des lasers à différentes longueurs d'onde. Ces différentes couleurs de lumière peuvent ensuite être utilisées pour déclencher des processus biologiques spécifiques.

Pour activer les gènes sensibles à la lumière, l'équipe dirigée par le professeur Zhang Yong de NUS Biomedical Engineering a utilisé les nanoparticules et les superballes pour « convertir » la lumière proche infrarouge (NIR) en des énergies plus élevées de lumière visible. Puisque la lumière NIR pénètre profondément, cette approche peut être utilisée pour de nombreux traitements de tissus profonds.

Des nanoparticules pour contrôler le rythme cardiaque

Le professeur Zhang et son équipe ont inventé de nouvelles nanoparticules qui émettent de la lumière rouge ou verte, en fonction de la longueur d'onde du rayonnement NIR utilisé pour les exciter. Les nanoparticules émettent de la lumière rouge lorsqu'elles sont excitées par un faisceau laser d'une longueur d'onde de 980 nanomètres, et la lumière verte lorsque la longueur d'onde du faisceau laser est réduite à 808 nanomètres.

En plus d'être de deux couleurs différentes, la lumière émise par ces nanoparticules peut être utilisée pour une activation bidirectionnelle. Ceci est différent des thérapies optogénétiques actuelles utilisant des nanoparticules, qui ne peut s'activer que de façon monodirectionnelle. "En tant que tel, nous pouvons manipuler de manière complexe un processus biologique, ou certaines étapes du processus, dans différentes directions ou par programmation, " a expliqué le professeur Zhang.

Les chercheurs ont montré qu'il était possible d'utiliser ces particules pour contrôler le rythme des battements dans des cellules cardiaques modifiées. En contrôlant optiquement deux canaux activés par la lumière appelés Jaws et VChR1 dans la même cellule, ils étaient capables de modifier la vitesse du rythme cardiaque. La lumière rouge a ralenti le rythme cardiaque, et le feu vert l'a accéléré.

Ces nanoparticules sont constituées d'un noyau interne riche en erbium, entouré de couches de matériaux dopés à l'ytterbium et au néodyme. "Pour générer de telles émissions de fluorescence orthogonales, nous avons généralement besoin de doper plusieurs ions lanthanides dans les nanocristaux. Dans notre étude, ceci est réalisé en utilisant un seul ion. » Cette innovation des chercheurs garantit que les émissions orthogonales proviennent toutes des ions erbium.

En ce qui concerne cette percée matérielle et innovation d'application, Le professeur Zhang a dit :"Cette démonstration constitue une avancée majeure vers le contrôle de voies multidirectionnelles programmables, et offre également des opportunités intrigantes d'applications dans de nombreux autres processus biologiques interactifs de manière synergique tels que les diagnostics et les thérapies."

Les résultats de cette étude ont été publiés dans la revue Communication Nature le 27 septembre 2019 et ont fait l'objet d'un rapport en tant que point culminant de la recherche le 4 octobre 2019.

Superballs pour activer les médicaments anticancéreux

En plus des nouvelles nanoparticules, Le professeur Zhang et son équipe ont récemment synthétisé des grappes de deux nanoparticules différentes qu'ils ont nommées « superballes ». De la même manière que les nouvelles nanoparticules, ces superballes émettent une lumière de couleur différente lorsqu'elles sont excitées avec différentes longueurs d'onde de rayonnement NIR. Ils émettent de la lumière rouge lorsqu'ils sont excités par un faisceau laser d'une longueur d'onde de 980 nanomètres, et la lumière UV/bleue lorsque la longueur d'onde du faisceau laser est réduite à 808 nanomètres.

Ces nouvelles superballes ont ensuite été utilisées pour améliorer une procédure de traitement photodynamique du cancer.

Lorsque les superballes étaient énergiquement excitées pour émettre de la lumière rouge, ils ont pu entrer dans une cellule. Prochain, ils étaient excités à émettre de la lumière UV/bleue pour augmenter la sensibilité des cellules aux espèces réactives de l'oxygène. Finalement, ils étaient excités à émettre à nouveau de la lumière rouge pour activer des médicaments photosensibles afin de produire des espèces réactives de l'oxygène. Ces espèces réactives de l'oxygène peuvent alors induire la destruction des cellules tumorales.

Avec cette percée de la recherche, les scientifiques de la NUS ont développé une méthode simple, méthode conviviale pour synthétiser ces superballes. La forme, la taille et même les longueurs d'onde d'excitation/émission des superbilles peuvent être modifiées en fonction de l'application requise.

Les résultats de cette étude ont été publiés dans Communication Nature le 8 octobre 2019.

Prochaines étapes

Les applications de ces nanoparticules et superballes sont nombreuses. "Cela intéressera les biologistes et cliniciens de différents domaines, en particulier ceux qui travaillent sur la photothérapie, y compris la thérapie photodynamique, thérapie photothermique, administration de médicaments/gènes contrôlés par la lumière, et optogénétique, " a déclaré le professeur Zhang

Pour les prochaines étapes de la recherche, Le professeur Zhang a expliqué, "Finalement, l'objectif de ce projet est d'utiliser l'électronique sans fil avec des nanoparticules pour des thérapies photodynamiques améliorées qui peuvent traiter de grosses tumeurs dans les tissus profonds. les chercheurs continueront à développer de nouveaux matériaux et à inventer des applications innovantes dans ce domaine.