Cercetătorii de la Stanford dezvoltă o metodă noninvazivă pentru livrarea luminii în organism
Luminile au un număr tot mai mare de aplicații în biologie și medicină – pot fi folosite pentru a stimula creșterea celulară, a manipula semnalele neuronale și a trata unele tipuri de cancer – însă nu pătrund ușor prin țesuturi.
Majoritatea metodelor de livrare a luminii în adâncime în organism sunt invazive, necesitând fie îndepărtarea țesutului, fie inserarea unei fibre optice.
Cercetătorii de la Stanford au creat o metodă noninvazivă pentru a livra lumina în locații specifice din organism. Studiul lor, publicat pe 13 aprilie în Nature Materials, folosește nanomateriale distribuite prin sânge pentru a transforma undele ultrasunetului în puncte precise de lumină. Această tehnică oferă o posibilă direcție pentru tratamente mai simple și mai puțin invazive bazate pe lumină.
Ultrasunetul este foarte convenabil de utilizat și pătrunde mult mai adânc în organism decât lumina. Cu aceste materiale, putem produce emisii de lumină în creier, intestin, măduva spinării, mușchi – practic oriunde – fără a necesita un implant fizic.
Materialele care produc lumină pe care Hong și colegii săi le-au utilizat inițial sunt particule ceramice mari, mai degrabă folosite în construcții decât în organism. Aceste materiale emit lumină ca răspuns la stresul mecanic, care poate fi generat de undele ultrasunetului.
Cercetătorii le-au procesat în nanoparticule și au creat un înveliș biocompatibil care permite suspensia acestora într-o soluție. Apoi, au injectat soluția în șobolani, unde vasele de sânge au transportat nanomaterialele în fiecare parte a corpului.
„Oriunde există țesut moale viu, va exista vasculatură care furnizează nutrienți, oxigen și celule sanguine. Putem folosi și asta pentru a livra lumină”, a spus Hong.
Nano-particulele rămân relativ întunecate până când sunt lovite de unde ultrasunete concentrate. Cercetătorii au demonstrat că pot crea lumină în mai multe locații simultan și pot folosi ultrasunetul pentru scanare, generând lumină pe măsură ce punctul focal al ultrasunetului se mișcă.
Pentru a dovedi că emisia funcționează mai adânc în corp (deoarece lumina nu poate fi întotdeauna observată din exterior), cercetătorii au creat o mică pălărie care produce ultrasunete pentru șobolani și au folosit-o pentru a genera lumină în diferite părți ale creierului unui șobolan. Lumina a stimulat diferiți neuroni, determinând șobolanul să se întoarcă la stânga sau la dreapta, în funcție de partea creierului activată.
„Putem regla noninvaziv această emisie în diferite regiuni ale creierului pentru a produce o varietate de rezultate comportamentale”, a spus Hong. Demonstrația a arătat că lumina generată din ultrasunete poate manipula eficient activitatea celulară din creier, însă există și alte aplicații potențiale. „Aceasta este o metodă generală care poate permite orice aplicație ce necesită lumină în țesuturi adânci.”
Materialele utilizate în acest studiu generează lumină albastră cu o lungime de undă de 490 nanometri. Această lungime de undă poate fi folosită pentru a excita neuronii, așa cum au demonstrat cercetătorii, și în terapia fotodinamică pentru cancer. Dar aceleași metode ar putea fi folosite pentru a produce alte lungimi de undă utile din diferite nanomateriale. Hong și colegii săi experimentează în prezent cu un material care emite lumină ultravioletă, capabil să distrugă bacterii și virusuri.
Hong colaborează, de asemenea, cu Michael Lin pentru a asocia această metodă de producere a luminii cu un sistem de editare genomică. Una dintre provocările editării genice este că poate crea efecte off-target, dar prin asocierea nanoparticulelor care generează lumină cu un sistem de editare genică activat de lumină, cercetătorii speră să poată folosi ultrasunetul pentru a activa și dezactiva editarea genelor în zone localizate ale corpului.
Înainte ca oricare dintre aceste sisteme să fie utilizate la oameni, cercetătorii trebuie să se asigure că nanomaterialele sunt sigure. Deși aceste materiale nu au prezentat efecte adverse în șobolani, cercetătorii au notat că nu se descompun rapid și au potențialul de a se acumula în locuri precum ficatul. Acum că cercetătorii au demonstrat că ultrasunetul poate fi utilizat pentru a produce lumină, Hong speră să înlocuiască nanoparticulele ceramice cu un material biologic care va putea să se descompună în siguranță în organism.
„Ceea ce demonstrăm aici este o dovadă de concept care arată că putem produce emisii de lumină într-un mod programabil în adâncimea corpului”, a spus Hong. „Dacă putem înlocui materialul cu unul care este mai sigur pentru utilizarea la oameni, acest lucru va începe să paveze calea pentru aplicații clinice.”
