Por primera vez los científicos han podido activar, con una eficiencia de casi el 100% y utilizando láseres de luz infrarroja, moléculas fotoconmutables localizadas en el interior del tejido neuronal. “Se trata de un desarrollo que abre la puerta a un gran número de aplicaciones. Desde fármacos que únicamente actúan en el punto de nuestro cuerpo que es iluminado y, por tanto, libres de efectos secundarios no deseados en otras regiones; hasta el control espacial y temporal de cualquier proteína cuyo funcionamiento queramos estudiar en el contexto de un organismo”, comenta Pau Gorostiza, profesor de investigación ICREA y responsable del Grupo de Nanosondas y Nanoconmutadores del IBEC. El estudio se ha publicado recientemente en la revista Nature Communications.
Interruptores fotosensibles de gran precisión
La molécula fotoconmutable que han utilizado los investigadores es una nueva variante del azobenceno, un compuesto químico que a oscuras tiene una forma plana y, en cuanto le incide la luz, se pinza. La fotofarmacología busca aprovechar esta peculiar propiedad para controlar la actividad de fármacos: se introduce en el organismo un fármaco inactivo combinado con azobenceno. El diseño del fármaco sólo permite su funcionamiento cuando el azobenceno tiene forma de pinza. De esta manera, pese a tener un fármaco distribuido por todo el cuerpo, éste sólo hará efecto en aquellos puntos en los que se irradie la luz que estimula al azobenceno, evitando así los efectos secundarios asociados a la actuación del fármaco en zonas en las que no es necesaria.
Hasta hace poco, las técnicas basadas en moléculas fotoconmutables empleaban láseres de luz continua violeta o azul (estimulación de un fotón) para activar estos compuestos, un método que no permite focalizar el estímulo. “Queríamos que la molécula se activase en un punto concreto, no en todo el haz de luz que irradiamos. Vimos que las transiciones con dos fotones, que utilizan luz infrarroja pulsada, permitían conseguirlo, pero la eficacia era muy baja y las aplicaciones, limitadas. Las moléculas que hemos desarrollado ahora consiguen este efecto con una eficacia del 100%. Es una tecnología muy robusta y precisa para manipular la actividad neuronal”, comentan Jordi Hernando y Ramon Alibés, investigadores del Departamento de Química de la UAB que han dirigido parte de este estudio junto con Josep Maria Lluch y Félix Busqué.
Los investigadores han comprobado la efectividad de la técnica sobre neuronas de ratón y en un modelo animal para el estudio de circuitos neuronales, el gusano Caenorhabditis elegans. “A pesar de que las células en un tejido neuronal están muy próximas, hemos conseguido seleccionar aquellas sobre las que queríamos activar la molécula fotoconmutable”.
La estimulación de dos fotones, predicha por Maria Göppert-Mayer y demostrada mediante los láseres pulsados desarrollados por los ganadores del Nobel de Física en 2018, Donna Strickland y Gérard Mourou, ha representado una revolución para la visualización y la manipulación de la actividad neuronal.
Los resultados de este desarrollo poseen un gran potencial puesto que abren la puerta a nuevas líneas de investigación en el ámbito molecular. Con la técnica descrita, los científicos gozarán de un control espaciotemporal sin precedentes sobre cualquier molécula fotoconmutable que quieran investigar.
El estudio ha sido liderado por el IBEC, centro de Excelencia Severo Ochoa y miembro del Instituto de Ciencia y Tecnología de Barcelona (BIST), junto al Departamento de Química de la UAB, y ha contado con la participación del grupo de Michael Krieg en el Instituto Catalán de Ciencias Fotónicas (ICFO-BIST).
Imagen: Control de la actividad de neuronas individuales de gusano mediante estimulación de dos fotones. En la imagen, una neurona de la cola del gusano (región cuadrada ampliada) se estimula con pulsos de luz infrarroja en presencia de la nueva molécula y se produce una respuesta de activación. Autoras: Montserrat Porta (UAB), Aida Garrido (IBEC).
Referencia: Gisela Cabré, Aida Garrido-Charles, Miquel Moreno, Miquel Bosch, Montserrat Porta-de-la-Riva, Michael Krieg, Marta Gascón-Moya, Núria Camarero, Ricard Gelabert, José M. Lluch, Félix Busqué, Jordi Hernando, Pau Gorostiza & Ramon Alibés. Rationally designed azobenzene photoswitches for efficient two-photon neuronal excitation. Nature Communications volume 10, Article number: 907 (2019).
