Disclaimer: This article was written for the course Skills in Science Communication of 2022 | Original Dutch version below

What if you could prevent unwanted side effects of medicine by only turning medicine ‘on’ at the correct location, with the use of light? Researchers from the university of Groningen have been researching this concept for 10 years now. Recently, Georgios Alachouzos, one of the researchers, finally developed a suitable ‘photocage’, which means the idea is now closer to reality than ever. His finding was published in trade journal Angewandte Chemie last week and was labeled as a ‘Very Important Paper’.

The photocage Alachouzos made is a molecule that you can attach to medicine. This way, you, so to speak, ‘capture’ the medicine temporarily. As long as the photocage is attached to the medicine, the medicine won’t work. But, when you shine on the captured medicine with a certain color of light, the photocage will deattach. This way, you, so to speak, release the medicine, allowing it to function again. So, if you make sure to only shine this light on the location where the medicine should work, you have control over where and when the medicine functions. This principle is called ‘photopharmacology’, a term invented and first described in 2014 by researcher Willem Velema. At the time, he was also working in the same research group Alachouzos works in now. 

In practice, however, it turns out to be very difficult to make a suitable photocage. The cage needs to possess a number of necessary characteristics. One of these characteristics has to do with the light used to release the photocage from the medicine. You want this light to be able to reach as far into the human body as possible, because a lot of medicine needs to work at places deep inside of the body.  Of course, the light needs to be able to reach these places. Red and infrared light are able to get the furthest into the human body. To reach as many places in the body as possible, you therefore want your photocage to react to red or infrared light. 

Next to this, there are a number of other strict demands the photocage needs to fulfill. For example, it needs to be safe for use in the human body. In the past, there wasn’t a single photocage that fulfilled all these conditions, until Alachouzos’ cage. His photocage strongly resembles an existing pigment that is used often in biology: Cy7. Because of this it was already known that Cy7 is safe for use in the human body and that it reacts to red/infrared light. 

Alachouzos found Cy7 by letting a computer compare a number of potential photocages. It turned out that Cy7 already possessed a lot of the required characteristics of a suitable photocage. To  be able to attach Cy7 to medicine, he only needed to modify the substance a little bit. After that, he could start making the photocage in the real world to eventually start testing it.

In the lab, Alachouzos discovered that his photocage worked well. But how do you test if such a photocage also works efficiently in the human body? To find out Alachouzos went a step further: he invented a special test setup with a bit of dutch flair. He attached his photocage to a fake medicine and spread it over a number of tubes. To simulate the human body he put one of the tubes inside a piece of one centimeter thick bacon. He put one of the other tubes inside of an equally thick piece of herring. He then used red/infrared light to shine on the pieces of tissue and measured how much of the fake medicine was released. To his pleasure, Alachouzos saw that the photocage still worked 80% as well inside of the pieces of tissue as it did in the condition without tissue. 

While this test naturally doesn’t simulate the situation inside of the human body with one hundred percent accuracy, the results were surprisingly good. That’s why Alachouzos created a startup together with his supervisors Ben Feringa and Wiktor Szymanski to continue testing and developing his photocage. As part of the company BARDER they will try to modify existing medicine by attaching them to photocages like Alachouzos’. Doing this, they hope to improve as many medicines as possible in the future by reducing side effects, simply by shining a light on it. 

---

Gevangen medicijnen bevrijden met licht

Wat als je bijwerkingen van medicijnen zou kunnen voorkomen door medicijnen alléén op de gewenste plek ‘aan’ te zetten, met behulp van licht? Onderzoekers van de Universiteit van Groningen doen al ruim tien jaar onderzoek naar dit concept. Nu heeft Georgios Alachouzos, één van de onderzoekers, eindelijk een geschikte ‘fotokooi’ ontwikkeld waardoor dit idee een stuk dichter bij de werkelijkheid komt. Zijn bevinding werd vorige week gepubliceerd in het vakblad Angewandte Chemie en werd bestempeld als ‘Very Important Paper’.

De fotokooi van Alachouzos is een molecuul dat je aan een medicijn vast kunt maken. Hierdoor zet je het medicijn als het ware tijdelijk ‘gevangen’. Zolang de fotokooi aan het medicijn vastzit, werkt het medicijn namelijk niet. Wanneer je echter met een bepaalde kleur licht op het gevangen medicijn schijnt, laat de fotokooi los. Hierdoor laat je als het ware het medicijn vrij, waardoor het weer kan functioneren. Als je met dit licht dus alléén op de plaats schijnt waar een medicijn moet werken, heb je controle over waar en wanneer het medicijn functioneert. Dit principe heet ‘fotofarmacologie’, een term bedacht en voor het eerst beschreven in 2014 door onderzoeker Willem Velema. Hij was destijds ook werkzaam bij dezelfde onderzoeksgroep als Alachouzos nu.

In de praktijk blijkt het echter erg lastig om een geschikte fotokooi te maken. De kooi moet namelijk een aantal noodzakelijke eigenschappen bezitten. Eén daarvan gaat over het licht waarmee de fotokooi van een medicijn loslaat. Je wilt namelijk dat dit licht zo ver mogelijk in het lichaam terecht kan komen, omdat veel medicijnen op een plaats diep binnenin het lichaam moeten werken. Het licht moet die plaats natuurlijk kunnen bereiken. Rood en infrarood licht dringen het verst in het lichaam door. Om zoveel mogelijk plaatsen in het lichaam te kunnen bereiken, wil je dus dat de fotokooi reageert op rood of infrarood licht. 

Naast deze zijn er nog een aantal andere, strenge eisen waaraan de fotokooi moet voldoen, zo moet hij bijvoorbeeld ook veilig zijn voor het menselijk lichaam. In het verleden was er nog geen enkele fotokooi die aan al deze voorwaarden voldeed, tót die van Alachouzos. Zijn fotokooi lijkt erg op een bestaande kleurstof die veel wordt gebruikt in de biologie: Cy7. Hierdoor was het al bekend dat Cy7 veilig is voor het menselijk lichaam en dat het reageert op rood/infrarood licht. 

Alachouzos vond Cy7 door een computer een aantal potentiële fotokooien te laten vergelijken. Hieruit bleek dat Cy7 al veel benodigde eigenschappen van een goede fotokooi had. Om Cy7 vast te kunnen maken aan een medicijn, moest hij de stof alleen nog een beetje aanpassen. Daarna kon hij de fotokooi in het echt gaan maken om hem uiteindelijk te kunnen testen.

In het lab kwam Alachouzos erachter dat zijn fotokooi goed werkt. Maar hoe test je of de fotokooi ook nog efficiënt werkt in het lichaam? Daarvoor ging Alachouzos nog een stapje verder: hij verzon een bijzondere testopstelling met een Hollandse tint. Hij maakte zijn fotokooi vast aan een nepmedicijn en verdeelde dit over een aantal buisjes. Om de situatie in het menselijk lichaam na te bootsen, stopte hij een buisje in een stukje speklap van één centimeter dik. Een ander buisje deed hij in een even dik stukje Hollandse Nieuwe (haring). Met rood/infrarood licht scheen hij op de stukjes weefsel en mat daarbij hoeveel nepmedicijn er vrijgelaten werd. Alachouzos zag tevreden dat de fotokooi binnenin de stukjes weefsel nog voor 80 % zo goed werkt als in de situatie zonder weefsel. 

Hoewel deze test natuurlijk niet precies de situatie in het lichaam nabootst, was de uitkomst verrassend goed. Daarom is Alachouzos samen met zijn begeleiders Ben Feringa en Wiktor Szymański een startup begonnen om zijn fotokooi verder te testen en te ontwikkelen. Als onderdeel van het bedrijf BARDER gaan zij proberen bestaande medicijnen te veranderen door ze te koppelen aan fotokooien zoals die van Alachouzos. Hierdoor hopen ze in de toekomst zoveel mogelijk medicijnen te verbeteren door bijwerkingen terug te dringen, simpelweg door er licht op te schijnen.