Sondele fluorescente iluminează cercetarea colesterolului și a bolii Alzheimer

Colesterolul este un lipid esențial pentru celulele eucariote animale, având multiple roluri biologice: componentă majoră a membranelor celulare, influențând rigiditatea, permeabilitatea și curburile membranelor, cofactor pentru molecule de semnalizare și precursor pentru hormonii steroizi. Distribuția și traficul intracelular al colesterolului sunt strict reglate de mecanisme complexe, implicând transport vezicular și non-vezicular.
Metodele existente de imagistică a colesterolului folosesc senzori specifici, analogi fluorescenți sau derivați colesteril marcați cu fluorofori. Totuși, acestea prezintă limitări:  

• senzorii clasici, precum filipina, au legare nespecifică și induc permeabilizarea membranelor.  
• derivații marcați fluorescent (cum ar fi NBD și BODIPY) pot afecta funcționalitatea colesterolului.  
• analogii naturali fluorescenți ai colesterolului (de exemplu, dehidroergosterol) au emisii fluorescente slabe.  

Aceste probleme subliniază necesitatea unor sonde fluorescente sensibile la mediu, care să imite comportamentul colesterolului.

Maciej J. Stawikowski, Ph.D., profesor asistent de chimie și biochimie la Colegiul de Științe Charles E. Schmidt din Florida Atlantic University, împreună cu echipa sa, a proiectat o nouă clasă de sonde fluorescente bazate pe schela de 1,8-ftalimidă (ND), recunoscută pentru proprietățile fluorescente solvatocromice și sensibilitatea la mediu. Aceasta permite:  

• sensibilitate la pH, utilă pentru studierea organitelor intracelulare cu pH variabil.
• îmbunătățirea proprietăților fotofizice față de sondele existente (NBD, BODIPY).

Sondele fluorescente pentru colesterol, denumite CND (de exemplu, CND1-CND10), sunt construite modular prin adăugarea diferitelor grupuri funcționale și linkeri la molecula de colesterol.

Caracteristicile sondelor fluorescente pentru colesterol

• Sensibilitate la mediu și pH: Sondele fluorescente pentru colesterol cu grupuri funcționale piperazinice (CND2-CND4) prezintă sensibilitate crescută la pH, facilitând detectarea variațiilor de pH în organite precum endozomi și lizozomi.  
• Distribuția în membrane: Studiile în vezicule unilamelare gigant (GUV) au demonstrat că unele sonde (CND3, CND8) imită comportamentul colesterolului în microdomenii lipidice.  
• Imagistica celulară: Testele în fibroblaste și astrocite au arătat că sondele CND sunt ușor absorbite, iar unele se acumulează în lizozomi și picături lipidice. CND3, sensibil la pH, a fost utilizat pentru cartografierea variațiilor de pH în organite celulare.  
• Modelare moleculară: Simulările de dinamică moleculară au confirmat că sondele fluorescente pentru colesterol interacționează cu membrane similare colesterolului. Proprietățile, precum adâncimea de imersie și unghiul de înclinare, au fost influențate de structura grupurilor funcționale și a linkerilor.

Avantaje față de metodele clasice

Sondele fluorescente pentru colesterol oferă îmbunătățiri semnificative:  

• schimburi Stokes mari (~130 nm), comparativ cu ~40 nm pentru sondele NBD și ~10 nm pentru BODIPY.  
• sensibilitate crescută la mediu și pH.  
• versatilitate, datorită structurii modulare, pentru studierea unor procese specifice.

Aplicații și perspective

Noile sonde fluorescente pentru colesterol deschid oportunități pentru:  

• studierea dinamicii colesterolului în membranele celulare.  
• investigarea bolilor legate de metabolismul colesterolului, precum boala Alzheimer.  
• utilizarea în sisteme de livrare a medicamentelor și imagistica proceselor intracelulare complexe.  

Aceste sonde reprezintă un progres semnificativ în înțelegerea comportamentului colesterolului în celule și pot contribui la descoperiri majore în biologie celulară și medicină.

„Colesterolul este esențial pentru funcționarea creierului, dar dereglarea acestuia ar putea fi un factor cheie în progresia bolii”, a spus Stawikowski. „Noile noastre instrumente oferă o fereastră asupra modului în care colesterolul afectează procesele celulare și pot ajuta la identificarea țintelor terapeutice pentru afecțiuni precum Alzheimer”.