Исследователи из Института нанонаук в области жизни (WPI-NanoLSI) при университете Канадзава сообщают об успешном создании искусственных синаптических везикул, которыми можно дистанционно управлять с помощью ближнего инфракрасного (NIR) света.
Встраивая фталоцианиновый краситель в липидные бислои, команда достигла локального нагрева, который модулирует проницаемость мембраны, обеспечивая точный выброс нейромедиаторов, таких как ацетилхолин.
Эти результаты, опубликованные в ACS Nano, демонстрируют, что наномасштабный нагрев может контролировать коммуникацию между нервными клетками. Работа открывает новые возможности для негенетической модуляции активности нейронов с потенциальным применением в неврологии, доставке лекарств и биоинженерии.
Основные моменты исследования
Команда под руководством Сатоши Араи продемонстрировала, что встраивание ванадиевого фталоцианинового красителя (VPc) в липосомные мембраны позволяет индуцировать локальный нагрев с помощью света на молекулярном уровне (рис. 1). В отличие от обычных термочувствительных липосом, которые полагаются на объёмный нагрев, этот подход обеспечивает обратимый и высоколокализованный выброс молекул груза без причинения обширного термического повреждения.
Контролирование коммуникации между нервными клетками имеет решающее значение для понимания работы мозга и лечения неврологических расстройств. В природе эта коммуникация зависит от синаптических везикул — микроскопических мешочков, которые высвобождают нейромедиаторы, такие как ацетилхолин, в нужное время и в нужном месте.
Учёные давно искали искусственные системы, имитирующие этот процесс, которые могли бы помочь восстановить повреждённые нервные пути, разработать новые методы лечения заболеваний мозга и мышц, а также создать точные инструменты для доставки лекарств.
Оптимизация доставки лекарств
Современные методы часто требуют генетической модификации или нагрева целых тканей, что сопряжено с риском нежелательных побочных эффектов и повреждения деликатных биологических систем. Оптические подходы с использованием ближнего инфракрасного света особенно привлекательны, поскольку они могут безопасно проникать в ткани и фокусироваться с высокой пространственной точностью.
Новое исследование решает эту задачу, впервые демонстрируя, что высвобождение нейромедиатора можно контролировать с помощью локализованного наномасштабного нагрева липидных мембран — без нарушения окружающей среды.
В лабораторных экспериментах исследователи инкапсулировали ацетилхолин в VPc-липосомы и показали, что импульсы NIR могут вызвать быстрый выброс нейромедиатора в определённых местах. Этот выброс был достаточным для индукции кальциевого потока в мышечных клетках и нейронных ответов в мозге Drosophila (рис. 2).
Молекулярно-динамическое моделирование дополнительно подтвердило, что VPc преимущественно локализуется в липидных мембранах, обеспечивая эффективное тепловое удержание и высвобождение груза.
«Ограничивая нагрев в пределах липидного бислоя, мы достигли точного контроля над высвобождением нейромедиатора в термически чувствительных биологических системах», — пишут авторы. «Эта система везикул, модулируемая светом, представляет собой многообещающую платформу для изучения нейронной коммуникации и разработки новых терапевтических стратегий».
Исследование подчёркивает новую концепцию искусственных синаптических везикул, модулируемых NIR-светом, которая может быть дополнительно расширена для создания систем целенаправленной доставки лекарств, биопротезов и микромасштабных инструментов для неврологии. Подход также может лечь в основу разработки будущих технологий в регенеративной медицине, нейромодуляции и биоинспирированных наноустройствах.
Предоставлено университетом Канадзава.