Việc tạo ra các công tác cảm biến tethered azobenzene (tethered azobenzene photoswitches) nhắm vào các màng kép hoặc màng liên kết với các kênh ion là một kỹ thuật quang học tiên phong có thể hỗ trợ rất lớn cho các nghiên cứu về não người. Tuy nhiên, các kỹ thuật này khi được thực hiện ở cường độ ánh sáng cao có thể dẫn đến nhiệt độ tăng lên đáng kể và do đó nếu sử dụng công nghệ này nhiều lần có thể gây hại cho các tế bào thần kinh.

Để khắc phục những hạn chế của kỹ thuật này, mới đây các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Italia (IIT) phối hợp với Trường Đại học Bách khoa Milan, một trong những trường kỹ thuật nổi tiếng nhất châu Âu, để tạo ra một hợp chất azobenzene nhạy sáng mới có tên là Ziapin2. Hợp chất này có thể dùng để chế tạo các công tắc cảm biến quang (photoswitches) mà không làm gia tăng nhiệt độ khi chiếu xạ bằng ánh sáng khả kiến.

Hợp chất mới này, được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology, phân bổ vào màng plasma với độ ổn định cao, làm cho nó mỏng hơn và mức gia tăng của điện dung ở trạng thái ổn định.
Guglielmo Lanzani, một trong những nhà nghiên cứu thực hiện nghiên cứu này, cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi được lấy cảm hứng từ sinh học nhờ vào hai quan sát. Thứ nhất là khả năng “bắt” ánh sáng tự nhiên trong các tế bào sống bằng cách sử dụng các phân tử quang điện (ví dụ như võng mạc trong tế bào cảm quang võng mạc). Thứ hai là sự nhiễu loạn của màng tế bào thần kinh và đặc biệt là sự thay đổi điện dung (khả năng lưu trữ điện tích) dẫn đến sự kích thích tế bào, bằng cách làm nóng tế bào”.

Các phân tử quang điện, chẳng hạn như hợp chất azobenzene được chế tạo bởi Chiara Bertarelli, Guglielmo Lanzani và Fabio Benfenati, có thể thay đổi hình dạng sau khi chúng hấp thụ ánh sáng. Sự thay đổi này cũng ảnh hưởng đến một số tính chất của chúng, bao gồm khả năng cản trở không gian của chúng (nghĩa là dung tích mà chúng chiếm đóng), màu sắc và đặc tính điện.

Khi áp dụng cho màng tế bào, đặc tính này cho phép các phân tử quang điện hoạt động như các công tắc cơ học hoặc lò xo, có thể điều chỉnh độ dày của màng khi hấp thụ ánh sáng và do đó thay đổi điện dung của nó. Nói cách khác, điều này cho phép một loạt các hiện tượng xảy ra, cuối cùng dẫn đến một điện thế động tác (sự thay đổi điện thế xảy ra ngang qua màng tế bào thần kinh) trong các tế bào thần kinh.

“Các phương pháp được sử dụng trong nghiên cứu này cho phép chúng tôi tạo ra cơ chế kích thích không nhiệt để tạo ra độ nhạy sáng trong tế bào sống và mô”, Lanzani giải thích.

“Cách tiếp cận của chúng tôi cũng không vào di truyền (tránh liệu pháp gen) và không cộng hóa trị (tránh biến đổi hóa học vĩnh viễn của tế bào). Nói cách khác, nó là một công cụ xâm lấn ở mức độ tối thiểu”, ông nhấn mạnh.

Khi áp dụng các xung ánh sáng khả kiến với tốc độ một phần nghìn giây cho các nơ-ron chứa hợp chất Ziapin2, Benfenati, Lanzani và các đồng nghiệp của họ đã quan sát thấy sự siêu phân cực thoáng qua, ngay sau đó là quá trình khử cực chậm trễ, cuối cùng kích hoạt các điện thế động tác (action potentials). Các hiệu ứng này ổn định và do đó các nhà nghiên cứu đã gợi ra ý tưởng thực hiện nghiên cứu lâm sàng trong tối đa 7 ngày liên tiếp.

“Thành quả chính của nghiên cứu này là chúng tôi có thể kích thích tế bào thần kinh mà không cần thao tác optogenetic và không can thiệp trực tiếp vào các kênh ion trên màng tế bào”, Benfenati nói. “Chúng tôi đã làm điều này chỉ bằng cách thúc đẩy sự biến dạng thoáng qua của màng tế bào làm cho các tế bào thần kinh ổn định hơn trong bóng tối và được giải phóng ra dưới sự kích thích của ánh sáng, gợi kích hoạt các điện thế động tác”.

Ziapin2 cho phép điều tiết điện dung màng tế bào trong thời gian tính bằng mili giây, mà không gây ra sự thay đổi nhiệt độ. Trong tương lai, nó có thể được sử dụng để phát triển các công tắc cảm biến cho các nghiên cứu khoa học thần kinh ít gây hại cho tế bào thần kinh.

Kế hoạch cho các nghiên cứu tiếp theo của nhóm nghiên cứu gồm hai phần. Phần 1, họ dự định tăng cường ứng dụng Ziapin để kích thích các mạch võng mạc trong các mô hình thử nghiệm thoái hóa võng mạc hoặc các mạch não bị bệnh. Mặt khác, nhóm nghiên cứu tìm kiếm các biến thể Ziapin có thể hòa tan trong nước nhiều hơn và ở lại trong màng lâu hơn.