Forskare vid Kanazawa University rapporterar i ACS Nano utvecklingen av en nanopartikel som fungerar som en värmare och en termometer. Att föra in nanopartikeln i levande celler resulterar i en värmefläck som, genom att slå på och av den, möjliggör kontrollerad modulering av lokala cellulära aktiviteter.

Att kunna värma områden i nanostorlek i biologiska vävnader är nyckeln till flera biomedicinska tillämpningar. Faktum är att många biologiska processer är temperaturkänsliga, och förmågan att lokalt ändra temperaturen ger ett sätt att manipulera cellulär aktivitet. Ett anmärkningsvärt syfte är att förstöra cancerceller genom att värma dem. Förutom behovet av en lokal uppvärmningsmekanism i vävnaden är det också viktigt att omedelbart kunna mäta den genererade temperaturen. Satoshi Arai från Kanazawa University och kollegor har nu konstruerat en nanopartikel som är både en nanovärmare och en nanotermometer på samma gång. De visade framgångsrikt att införandet av en enda, kontrollerbar värmefläck i vävnad kan vara mycket effektivt för att modifiera cellulär funktion.

Nanopartikeln, kallad "nanoHT" av forskarna - en förkortning av "nanovärmare-termometer" - är i huvudsak en polymermatris som inbäddar en färgämnesmolekyl (kallad EuDT) som används för att avkänna temperatur, och en annan färgämnesmolekyl (kallad V-Nc) för frisättning värme. Det senare sker genom omvandling av ljus till termisk energi (den fototermiska effekten, som också utnyttjas i solceller):att lysa en nära-infraröd laser (med en våglängd på 808 nanometer) på V-Nc resulterar i snabb uppvärmning, med en starkare ökning i temperatur för högre lasereffekt.

Temperaturavkänning baseras på den termiska fluorescenseffekten av EuDT. När den bestrålas med ljus av en våglängd avger molekylen ljus med en annan våglängd - fluorescens. Ju högre temperatur, desto mindre intensiv blir fluorescensen. Detta omvända förhållande kan användas för att mäta temperatur. Arai och kollegor testade prestandan hos nanoHT som termometer och fastställde att den kan bestämma temperaturer med en upplösning på 0,8 grader Celsius och mindre.

Forskarna utförde sedan experiment med en typ av mänskliga celler som kallas HeLa-celler. De tittade på effekten av uppvärmning genom nanoHT och fann att vid en temperaturökning på cirka 11,4 grader Celsius dog de uppvärmda HeLa-cellerna efter bara några sekunder. Detta fynd tyder på att nanoHT skulle kunna användas för att inducera celldöd i cancerceller.

Arai och kollegor studerade också hur nanoHT kan användas för att påverka musklernas beteende. De introducerade nanopartikeln i myotub, en typ av fiber som finns i muskelvävnad. Vid uppvärmning av myotuben med cirka 10,5 grader Celsius, drog muskelvävnaden ihop sig. Förfarandet fungerade reversibelt; att låta myotuben svalna igen ledde till muskelavslappning.

Arai och kollegors arbete visar att lokal uppvärmning i subcellulär skala med hjälp av nanoHT möjliggör kontrollerad manipulation av en enskild cells aktivitet. När det gäller tillämpningar tror forskarna att "den riktade tillämpningen av nanoHT har ett mångsidigt och mångsidigt utbud av möjligheter att reglera cellulära aktiviteter som skulle underlätta utvecklingen av termodynamisk cellteknik."

Fluorescens

Fluorescens hänvisar till emission av ljus från ett ämne varefter det har absorberat ljus (eller annan typ av elektromagnetisk strålning). Vanligtvis har det emitterade ljuset en längre våglängd, och därmed en lägre fotonenergi, än den absorberade strålningen. Ett välkänt fall av fluorescens inträffar när den absorberade strålningen är i det ultravioletta området av spektrumet, osynligt för det mänskliga ögat, medan det utsända ljuset är i det synliga området.

Fluorescerande termometri är en teknik för att mäta temperaturer genom användning av fluorescerande färgämnesmolekyler, vars fluorescensintensitet är en stark funktion av temperaturen. Färgämnesmolekylerna sätts in i ett material av intresse; detaljerad kunskap om fluorescensintensiteten kontra temperaturberoende gör det möjligt att sluta sig till materialets temperatur. (Färgämnesmolekylerna exciteras för att fluorescera av infallande ljus; dess intensitet ger ett mått på den lokala temperaturen.)

Satoshi Arai från Kanazawa University och kollegor använde fluorescensfärgämnesmolekyler för att utveckla nanoHT, en nanopartikel som fungerar som både en värmare och en termometer för nanobiotillämpningar. + Utforska vidare

Intracellulär nanotermometer har oöverträffad mångsidighet