Imaging Neuronal Calcium Activity via AIE-based Fluorophores

Thumbnail Image

Files

Nystedt_Evy_2025.pdf (1.31 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-09-05

Department

Major/Subject

Chemical Engineering

Mcode

CHEM3054

Degree programme

Aalto Bachelor's Programme in Science and Technology

Language

en

Pages

26+3

Series

Abstract

Current brain imaging methods have advanced our understanding of the human brain but remain constrained by compromises between spatial and temporal resolution as well as invasiveness. Fluorescent probes offer an alternative, yet traditional fluorophores suffer from aggregation-caused quenching (ACQ) in aqueous environments which restricts their use under physiological conditions. Aggregation-induced-emission (AIE) fluorophores use aggregation to increase emission and are therefore better suited for biomedical applications. Their structural tunability enables optimization for safety and biocompatibility in specific tissue environments. This thesis specifically discusses the use of AIEgens for imaging neuronal calcium activity in the brain as these molecules can be designed to fluoresce when bound to calcium ions, opening the possibility of probes for visualizing neuronal activity. However, significant challenges remain, including the need to improve calcium sensitivity to the nanomolar range and to characterize activation kinetics on a millisecond timescale. Along with novel imaging and administration methods, these fluorophores could become a powerful tool for brain imaging.

Våra nutida hjärnavbildningsmetoder har fördjupat vår förståelse av människans hjärna, men de har sina begränsningar i form av kompromisser mellan rumslig och tidsmässig upplösning samt invasivitet. Fluorescerande molekyler erbjuder ett alternativ till dessa metoder, men traditionella fluoroforer lider av aggregation-caused quenching (ACQ) i vattenhaltiga miljöer. Detta begränsar deras användning under fysiologiska förhållanden. Aggregation-induced emission (AIE)-fluoroforer utnyttjar i stället aggregation för att förstärka sin emission och är därför mer lämpade för biomedicinska tillämpningar. Denna avhandling diskuterar potentialen hos kalciumbindande AIEfluoroforer som verktyg för att visualisera aktivitet i hjärnan. Dessa molekyler är väl lämpade för biologiska system eftersom de kan designas för att fungera i specifika vävnadsmiljöer. De kan även tillämpas för miljöer med särskilda pH-värden eller en viss viskositet. På grund av detta lämpar de sig mycket väl för användning i olika biologiska miljöer. Vid användning av fluorescerande molekyler i biologiska miljöer måste man också ta hänsyn till vilka våglängder molekylerna absorberar och emitterar. Våglängder med hög energi, såsom UV- och blått ljus, kan leda till att kemiska bindningar bryts, vilket kan vara skadligt för levande vävnader. För att AIEfluoroforer ska kunna användas i kroppen måste de därför konstrueras för att absorbera och avge våglängder med lägre energi, såsom rött ljus. AIE-fluoroforer kan konstrueras för att binda till kalciumjoner. Nervaktivitet kännetecks av ett inflöde av kalciumjoner. Om dessa inflöden kan observeras med hjälp av AIE-fluoroforer öppnas möjligheten att utveckla nya metoder för att visualisera hjärnaktivitet. De nuvarande AIE-fluoroforerna som binder till kalcium reagerar dock vid kalciumkoncentrationer som är högre än de som uppträder i neuroner, så ytterligare forskning krävs för att producera fluoroforer som kan användas för att mäta neuronal aktivitet. Dessa molekyler måste dessutom utformas för att absorbera och avge nära infrarött ljus, vilket de i nuläget inte gör. Även säkra metoder för att visualisera aktiveringen av AIE-fluoroforer måste utvecklas. AIEmolekylers förmåga att anpassas till specifika vävnadsmiljöer, avge säkra våglängder och binda till kalciumjoner ger dock en optimistisk bild av framtiden för hjärnavbildning.

Description

Supervisor

Hummel, Michael

Thesis advisor

Anaya, Eduardo

Keywords

aggregation-induced emission, aggregation-caused quenching, fluoresence, biomedical imaging, calcium-binding

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202510288587

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM