Un estudi pioner liderat per l’IBEC en col·laboració amb l’ICFO ha revelat un mètode per controlar l’activitat cerebral en organismes vius mitjançant l’ús de fàrmacss activats per llum infraroja. Aquesta tècnica d’ avantguarda activa un receptor específic de neurotransmissors utilitzant llum que pot penetrar profundament en els teixits i ofereix una precisió farmacològica i espaciotemporal sense igual en tres dimensions. Aquestes troballes obren noves fronteres per a la recerca en neurobiologia i el desenvolupament de teràpies de neuromodulació no invasives basades en la llum.
L’estudi del cervell continua sent un dels desafiaments més importants en neurociència. Els investigadors han explorat diversos mètodes per a la visualització en viu i l’estimulació de l’activitat profunda del cervell. Un d’aquests mètodes és l’excitació multifotó mitjançant l’ús de llum infraroja (IR) polsada. Els teixits absorbeixen de forma molt feble aquest tipus de llum, de manera que pot penetrar a través de l’os i en profunditat en òrgans com el cervell. Tanmateix, té limitacions per produir imatges enfocades i controlar l’activitat cel·lular amb precisió. Per superar això, els científics han estat investigant l’excitació mitjançant tres fotons utilitzant polsos ultracurts de llum IR per aconseguir la visualització de tot el còrtex cerebral i l’observació de l’activitat neuronal. No obstant això, fins ara, no s’havia provat l’estimulació neuronal in vivo utilitzant l’excitació de tres fotons.
Un estudi pioner, liderat per l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) en col·laboració amb l’ICFO – Institut de Ciències Fotòniques, ambdós membres del BIST, ha presentat el primer mètode per controlar l’activitat cerebral en organismes vius utilitzant fàrmacss activats per excitació de tres fotons i llum infraroja mitjana. Aquest mètode es basa en l’ activació d’ un receptor específic per a l’ acetilcolina, un neurotransmissor vital involucrat en diversos processos cerebrals, com l’ aprenentatge, l’ atenció i la memòria.
Per aconseguir-ho, els investigadors van utilitzar PAI, una molècula sensible a la llum prèviament desenvolupada a l’IBEC, utilitzant la concentració de fàrmac més baixa i la longitud d’ona de fotoactivació més llarga mai registrada.
L’estudi, publicat a la revista Angewandte Chemie, va ser dirigit pel Dr. Pau Gorostiza, Professor de Recerca ICREA, membre del CIBER-BBN i líder del grup de Nanosondas i Nanoconmutadors a l’IBEC, i pel Dr. Pablo Loza-Álvarez, cap del laboratori de Microscòpia de Superresolució i Nanoscòpia (SNL) de l’ICFO.
“La novetat d’aquests resultats és que ens demostren que podem controlar l’activitat dels fàrmacss utilitzant llum infraroja. A més, la majoria dels compostos fotosensibles que solíem usar en fotofarmacologia amb llum ultraviolada i visible són igualment susceptibles a ser activats mitjançant l’excitació de tres fotons amb llum infraroja de longitud mitjana, que resulta menys agressiva per als teixits.”, explica Gorostiza.
A més, aquesta tècnica, en ser il·luminació IR, ofereix la possibilitat d’arribar molt profund dins del teixit i amb resolucions submicromètriques en les tres dimensions. En termes simples, significa que podem localitzar l’activació just en el punt focal del feix làser, en il·luminar-lo externament a través del crani”, agrega Loza-Álvarez.
Aquests resultats mostren el potencial de la farmacologia de tres fotons i obren noves perspectives per a la recerca fonamental en neurobiologia i el desenvolupament de teràpies de neuromodulació basades en la llum.
El poder de la llum
La llum es pot utilitzar per aconseguir dirigir l’ acció de fàrmacss en àrees específiques del cos mitjançant la fotofarmacologia. Aquest enfocament innovador implica modificar l’ estructura química d’ un fàrmacs agregant a la seva estructura un interruptor molecular activat per la llum. D’aquesta manera s’aconsegueix que el fàrmacs s’activi només quan s’exposa a un color de llum particular.
En investigacions anteriors, científics i científiques de l’IBEC van intentar activar PAI utilitzant excitació d’una fotó i dos fotons amb una reversibilitat i un control in vivo limitats. En el seu nou article científic, els investigadors van recórrer a la llum infraroja de longitud d’ona més llarga i a càlculs teòrics per millorar l’activació de PAI a través d’excitacions de múltiples fotons. Aquests càlculs, realitzats pel laboratori de Josep Maria Lluch i Jordi Hernando a la Universitat Autònoma de Barcelona, van suggerir que l’excitació de tres fotons podria ser més eficient que les alternatives de dos fotons i que el principi podria ser àmpliament aplicable.
Posteriorment, els investigadors van dur a terme experiments in vivo per validar aquestes prediccions teòriques. Van utilitzar larves de peix zebra genèticament modificades per expressar un indicador de calci fluorescent. L’ activitat neuronal condueix a ràpides fluctuacions en els nivells intracel·lulars de calci lliure, raó per la qual els indicadors de calci s’ utilitzen comunament per visualitzar l’ activitat neuronal.
La primera vegada que vam veure les respostes cerebrals quedem realment impressionats. Tot el cervell es va il·luminar
Rosalba Sortino
Aquesta configuració experimental els va permetre observar i analitzar les alteracions en els nivells de calci quan el cervell va ser exposat a estimulació lumínica a través de l’excitació de tres fotons: “La primera vegada que vam veure les respostes cerebrals quedem realment impressionats. Administrar-nos el compost PAI en la seva forma inactiva, que va ser captat pel cervell del peix zebra, i quan l’excitem amb els destells de tres fotons, tot el cervell es va il·luminar. Fent servir el nostre equip, vam poder veure clarament l’activació de PAI en forma de canvis en l’activitat cerebral”, destaca Rosalba Sortino, primera autora de l’estudi i recent doctorada en el grup de Gorostiza a l’IBEC.
Per al seu treball futur, els investigadors planegen aplicar estimulacions encara més curtes i focalitzades per estudiar aquestes respostes endògenes en detall.
Article referenciat:
Rosalba Sortino, Marina Cunquero, Gustavo Castro-Olvera, Ricard Gelabert, Miquel Moreno, Fabio Riefolo, Carlo Matera, Noèlia Fernàndez-Castillo, Luca Agnetta, Michael Decker, José Maria Lluch, Jordi Hernando, Pablo Loza-Alvarez and Pau Gorostiza. Three-Photon Infrared Stimulation of Endogenous Neuroreceptors in Vivo. Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI: 10.1002/anie.202311181
