Molekula citlivá na světlo zvyšuje zobrazování hlubokých tkání a kontrolu buněk u myší

Biomedicínské a genetické inženýři na Duke University a Albert Einstein College of Medicine vyvinuli techniku, která přirozeně zvyšuje přítomnost molekuly citlivé na světla v celém těle. Tato změna umožňuje zlepšit hluboké tkáňové zobrazování v oblastech, jako je mozek, tak rozšířit schopnosti nástrojů založených na světle pro kontrolu buněčného chování.

Tato technika umožnila vědcům vyvolat produkci inzulínu a snižovat Hladiny glukózy v krvi O téměř 60% v myších modelech, osvětlení potenciální cesty pro léčbu diabetu. Práce byla Publikováno 14. července 2025 v časopise Přírodní komunikace.

Biliverdin je biomolekula citlivá na světlo, která se produkuje ve velkém množství v lidských a savčích buňkách. Během posledního desetiletí se ukázalo, že je užitečným cílem pro optogenetické i zobrazovací nástroje, protože dokáže absorbovat blízké infračervené (NIR) světlo, které proniká hlouběji do tkáně než viditelné světlo.

Ačkoli biliverdin existuje v celém těle, nachází se primárně v orgánech bohatých na krví, jako jsou játra a slezina, a orgány ponechávají mozek poměrně tmavé. Ale dlouholetý spolupracovníci Junjie Yao, docent biomedicínského inženýrství v Duke, a Vladislav Verkhusha, profesor genetiky na Albert Einstein College of Medicine, vyvinul novou techniku pro zvýšení úrovní Biliverdinu v celém těle.

„Injekci biliverdinu přímo do zvířete může zvýšit jeho hladiny, aby stoupala všude kromě mozku, protože účinně nepřekračuje bariéru krve a mozrovou,“ řekl Verkhusha, spoluzakladatel Gruss-lipper Biophotonics Center. „Ale dalším způsobem, jak zvýšit molekulu, je odstranění proteinu, který ho sní.“

Vědci umlčeli biliverdin reduktázu-A, enzym, který odstraní biliverdin přeměnou na bilirubin, u myší. To způsobilo, že hladiny biliverdinu přirozeně stoupaly po zvířatech, včetně v mozku. Tento vzestup učinil optogenetické proteiny Verkhusha 25krát účinnější při kontrole genová exprese v celém myši pomocí NIR světla. Byli také schopni aktivovat neurony 100krát vyšší v mozku.

Jako důkaz konceptu tým použil své optogenetické proteiny ke zvýšení produkce inzulínu v modelu knockoutového myšího diabetu typu 1 tím, že játra produkuje inzulín v reakci na světlo NIR. Pozorovali snížení hladin krve-glukózy téměř o 60%, uvedli ji do normálního rozmezí a ukázali, že by mohl neinvazivně zvládnout stav s NIR světlem.

„Ačkoli u lidí bylo omezeno studie, studie na zvířatech naznačují, že neexistují žádné významné nepříznivé zdravotní výsledky z umlčení biliverdin reduktázy-A,“ vysvětlil Verkhusha. „To naznačuje, že bychom mohli účinně použít optogenetiku k přirozené léčbě cukrovky.“

Yao a jeho tým našli podobný úspěch hluboká tkáň Zobrazování pomocí fotoakustické tomografie (PAT), která zahrnuje střílení laserového paprsku světla do tkáně a měření výsledné ultrazvukové vlny.

„Nejrozšířenější technologie optického zobrazování nejsou schopny proniknout hlouběji než milimetr pod povrch kůže„řekl Yao.“ Ale pokud ty vázat NIR absorbující proteiny na biliverdinSvětlo může proniknout téměř třikrát hlouběji než standardní sondy a Rozlišení obrazu Může být dvakrát až třikrát jasnější, což umožňuje podrobné obrázky složitých struktur. “

Tento nový přístup umožnil týmu vidět 7 milimetrů do mozku, více než třikrát hlubší, než bylo možné bez modelu vyřazení Biliverdin. Vylepšená hloubka umožnila týmu zachytit podrobné obrazy neuronální aktivity v různých oblastech mozku skrz pokožku hlavy a lebky zvířete. Byli také schopni osvětlit průtok krve a vaskulární struktury, které doufají, že použijí k lepšímu porozumění vztahu mezi nervovou aktivitou a průtokem krve.

I když tato práce poskytuje vědcům efektivní nástroj pro zobrazování a optogenetický výzkum, Verkhusha a Yao jsou optimistické, že stanoví půdu pro ještě větší pokrok.

„Když se pohybujeme vpřed, existuje mnoho možností,“ řekl Verkhusha. „Mohli bychom pokračovat v zkoumání používání optogenetických nástrojů k tomu, aby játra vytvářely terapeutické proteiny, jako jsme to udělali s inzulínem.“

„Pro zobrazení by naším dalším krokem mohl být použití tohoto zvířecího modelu ke studiu systematičtějších a dlouhodobých onemocnění v různých orgánových systémech, jako je zobrazování mozku ke studiu účinku mrtvice nebo neurodegenerativních onemocnění,“ řekl Yao.

„Vlad a já jsme spolupracovníky více než deset let, a to je jen další kapitola v naší probíhající práci,“ řekl Yao. „Naše oblasti výzkumu se liší, ale toto partnerství bylo pro obě laboratoře velmi doplňující a jsme nadšeni, že můžeme pokračovat v této plodné práci.“