用发光纳米粒子和超级球体复杂对生物过程的控制

纳米粒子超级球杆opolognetics

NUS研究人员已经开发了一种方法,通过使用专门设计的纳米粒子和纳米液(称为“超级弹丸”)给予对光遗工进行更多控制。当在不同波长的激光激发时,这些纳米颗粒和超级球可以发出不同颜色的光。根据用于激发它们的红外光的能量,新型纳米颗粒荧光荧光红色或绿色。然后可以使用这些不同颜色的光来触发特定的生物过程。信贷:新加坡国立大学

新的纳米颗粒可以通过发射不同颜色的光来调节心脏细胞的跳动速度。来自纳米粒子簇的光也能够在细胞内激活抗癌药物。

“Optimetics”的生物学技术使用光对在遗传修饰的生物组织内控制细胞以光敏。然而,随着这样的方法,存在有限的方法,因为光可以一次激活几种基因,并且通常需要深入的光光来达到活性组织中的基因。

现在,来自NUS的研究人员通过使用专门设计的纳米颗粒和纳米单元(称为“超级球”),开发了一种对该过程提供更多控制的方法。当在不同波长的激光激发时,这些纳米颗粒和超级球可以发出不同颜色的光。然后可以使用这些不同颜色的光来触发特定的生物过程。

为了激活光敏基因,由Nus生物医学工程教授领导的团队使用Nus BioMedical Engineering使用纳米颗粒和超级弹丸来“将”近红外(NIR)光相连到可见光的更高能量。由于NIR光深入渗透,因此这种方法可用于许多深层的组织处理。

纳米粒子控制心率

张教授和他的团队发明了新的纳米颗粒,其发射红色或绿灯,这取决于用于激发它们的NIR辐射的波长。当激光波长为980纳米的激光束激发时,纳米颗粒辐射红光,当激光束的波长降低到808纳米时,绿光。

除了两种不同的颜色之外,从这些纳米颗粒发出的光可用于双向活化。这与使用纳米颗粒的电流致敏疗法不同,这只能以单向方式激活。“因此,我们可以错综复杂地操纵生物过程,或者在不同方向或以编程方式中进行一些步骤”,“张建文教授。

研究人员表明,可以使用这些颗粒来控制改性心肌细胞中的搏动率。通过光学控制在同一单元中称为钳口和VCHR1的两个光激活通道,它们能够改变心跳的速度。红灯放缓了心率,绿灯加快了。

这些纳米颗粒由富含铒的内核组成,被镱和钕掺杂材料层包围。“为了产生这种正交的荧光发射,我们通常需要将多个镧系元素涂成纳米晶体。在我们的研究中,这是通过使用一种离子来实现的。“研究人员的这种创新确保了正交排放都来自erbium离子。

关于这种物质突破和应用创新,张教授说:“这一示范向可编程的多向路径控制提供了一个重大步骤,还为许多其他协同互动的生物过程中的应用提供了有趣的机会,例如诊断和治疗。“

本研究的结果发表在杂志中自然通信2019年9月27日,并报告为一个研究亮点2019年10月4日。

超级球体激活抗癌药物

除了新颖的纳米颗粒外,张教授及其团队最近综合了他们名为“超级球”的两种不同纳米颗粒的簇。以类似于新型纳米颗粒的方式,当用不同波长的NIR辐射激发时,这些超级球发出不同的着色光。当激光波长为980纳米的激光束,当激光束的波长减小到808纳米时,它们在激光束激发时辐射红光。

然后使用这些新型超级球体来增强光动力学癌症治疗程序。

当超级球体强烈兴奋以辐射红光时,它们能够进入细胞。接下来,它们很兴奋地辐射紫外/蓝光,以增加细胞对反应性氧物种的敏感性。最后,他们很兴奋地辐射红光再次激活光敏药物以产生反应性氧。然后可以诱导这些反应性氧物质诱导肿瘤细胞的杀伤。

通过这项研究突破,NUS科学家们已经开发了一种简单,用户友好的方法,用于综合这些超级弹丸。可以根据所需的应用来修改超级弹丸的形状,尺寸和甚至激励/发射波长。

本研究的结果发表于此自然通信2019年10月8日。

下一步

这些纳米颗粒和超球的应用很多。“这将是不同领域的生物学家和临床医生的兴趣,特别是那些在光疗法上工作的人,包括光动力治疗,光热疗,轻控制的药物/基因递送和光学学,”张教授。

对于下一个研究阶段,张教授解释说:“最终,该项目的目的是将无线电子器件与纳米颗粒一起使用,以增强光动力疗法,这可以治疗深层组织中的大肿瘤。”因此,研究人员将继续开发新颖的材料并在该领域创造创新应用。

参考:

“Manipulating energy migration within single lanthanide activator for switchable upconversion emissions towards bidirectional photoactivation” by Qingsong Mei, Akshaya Bansal, Muthu Kumara Gnanasammandhan Jayakumar, Zhiming Zhang, Jing Zhang, Hua Huang, Dejie Yu, Chrishan J. A. Ramachandra, Derek J. Hausenloy, Tuck Wah Soong and Yong Zhang, 27 September 2019,自然通信
DOI:10.1038 / S41467-019-12374-4

“Upconversion superballs for programmable photoactivation of therapeutics” by Zhen Zhang, Muthu Kumara Gnanasammandhan Jayakumar, Xiang Zheng, Swati Shikha, Yi Zhang, Akshaya Bansal, Dennis J. J. Poon, Pek Lim Chu, Eugenia L. L. Yeo, Melvin L. K. Chua, Soo Khee Chee and Yong Zhang, 8 October 2019,自然通信
DOI:10.1038 / S41467-019-12506-W

是第一个评论论“具有发光纳米粒子和超球的生物过程复杂控制”

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