Zespół ze Stanford University, University of Virginia i University of Southern California zaproponował rozwiązanie, w którym światło nie jest przesyłane przez tkankę z zewnątrz. Powstaje dopiero wewnątrz organizmu, w miejscu wskazanym przez zogniskowane ultradźwięki. Energię do wybranego obszaru przenosi fala akustyczna, a źródłem fotonów są krążące w naczyniach mechanoluminescencyjne nanotransduktory. To odwrócenie schematu – zamiast próbować doprowadzić światło do głębokiej tkanki badacze doprowadzili tam materiał, który zaczyna świecić dopiero po pobudzeniu ultradźwiękami. W pracy opublikowanej w „Nature Materials” wykorzystano nanocząstki otrzymane z materiału mechanoluminescencyjnego, czyli takiego, który emituje światło po działaniu bodźca mechanicznego. W makroskali podobne materiały mogą świecić pod wpływem nacisku, tarcia lub odkształcenia. Tutaj zostały przetworzone do postaci nanotransduktorów zdolnych do krążenia w układzie naczyniowym. Po podaniu do organizmu pozostają optycznie ciche, dopóki nie znajdą się w polu zogniskowanych ultradźwięków.

Mechanizm można ująć jako lokalną konwersję energii akustycznej w światło. Ultradźwięki przenikają przez tkanki głębiej i z mniejszym rozproszeniem niż promieniowanie optyczne. Można je także ogniskować podobnie jak soczewka skupia światło, tyle że w tym przypadku ognisko powstaje wewnątrz ciała. Gdy nanotransduktory znajdą się w takim ognisku, doświadczają bodźca mechanicznego i emitują światło. Przesunięcie ogniska ultradźwiękowego przesuwa miejsce emisji, co pozwala tworzyć skanowane, zdalnie sterowane źródło światła w żywej tkance. W doświadczeniach nanocząstki aktywowano zarówno w fantomach imitujących tkanki, jak i u żywych myszy. Emisję uzyskano w różnych lokalizacjach anatomicznych, m.in. w mózgu, rdzeniu kręgowym, jelicie, mięśniach i kończynach. Opisany układ emitował światło niebieskie o długości fali ok. 490 nm, czyli w zakresie przydatnym dla części narzędzi optogenetycznych oraz wybranych reakcji fotochemicznych. Sam fakt rejestracji emisji nie był jednak najważniejszy. Badacze sprawdzili, czy lokalnie wygenerowane światło może wywołać efekt biologiczny.

Najbardziej przekonująca część pracy dotyczyła optogenetyki. U myszy, których neurony zawierały światłoczułe opsyny, zogniskowane ultradźwięki aktywowały nanotransduktory obecne w naczyniach, a powstałe światło pobudzało komórki nerwowe. Odpowiedź potwierdzano metodami elektrofizjologicznymi oraz barwieniami immunohistochemicznymi. W modelach behawioralnych aktywacja wybranych obszarów mózgu wpływała na kierunek ruchu zwierząt. Oznacza to, że emisja z nanotransduktorów nie była jedynie słabym sygnałem optycznym widocznym w aparaturze, lecz bodźcem wystarczającym do modulowania aktywności neuronów. Technicznie interesujące jest też to, że układ działa jak źródło światła przesuwane bez wszczepiania światłowodu. W klasycznej optogenetyce głębokie struktury mózgu wymagają zwykle doprowadzenia światła przez implant optyczny. Tutaj rolę zewnętrznego sterownika odgrywa głowica ultradźwiękowa, a światło pojawia się lokalnie tam, gdzie akustyczna wiązka pobudza nanotransduktory. Takie rozwiązanie pozwala aktywować różne obszary przez zmianę położenia ogniska ultradźwięków, bez osobnego źródła światła w każdym miejscu.

Badanie pozostaje etapem przedklinicznym. Nanotransduktory testowano u myszy, a bezpieczeństwo oceniano w ograniczonym czasie. Nie obserwowano wyraźnego uszkodzenia tkanki nerwowej ani istotnego wzrostu temperatury podczas stymulacji, ale zastosowane cząstki ceramiczne nie są materiałem łatwo ulegającym biodegradacji. Ich dalszy rozwój będzie wymagał oceny toksykologii, losów cząstek po podaniu, kumulacji w narządach, możliwości wielokrotnego użycia oraz wpływu różnych parametrów ultradźwięków na tkanki. Najbliższe zastosowania tej technologii dotyczą raczej badań podstawowych niż leczenia pacjentów. Skanowane źródło światła in vivo może być przydatne w neurobiologii, zwłaszcza tam, gdzie potrzebna jest fotostymulacja głębokich struktur bez klasycznego światłowodu. W dalszej perspektywie podobny mechanizm można rozważać w terapiach fotodynamicznych, miejscowej aktywacji leków, sterowaniu ekspresją genów albo uruchamianiu systemów biologicznych zależnych od światła. Każdy z tych kierunków wymaga jednak innych długości fali, innych materiałów i osobnej oceny bezpieczeństwa.

Praca Jiang i wsp. pokazuje, że ultradźwięki mogą pełnić funkcję sterownika dla światła generowanego wewnątrz organizmu. Energia akustyczna dociera tam, gdzie fotony są silnie tłumione, a mechanoluminescencyjne nanotransduktory zamieniają lokalny bodziec mechaniczny w emisję optyczną. W efekcie powstaje platforma, która łączy głęboką penetrację ultradźwięków z biologiczną precyzją światła.