Figur 1. Molekylär design av B-gTEMP och det förväntade fluorescenssvaret på temperatur. F(mNG) och F(tdT) är fluorescensintensiteten för mNeonGreen respektive tdTomato. Kredit:Kai Lu et al.
Kroppstemperaturen är en grundläggande hälsoindikator. Intracellulär temperatur är också en grundläggande indikator på cellulär hälsa; cancerceller är mer metaboliskt aktiva och kan därför ha en något högre temperatur än friska celler. Men hittills har de tillgängliga verktygen för att testa sådana hypoteser inte klarat uppgiften. I en studie som nyligen publicerades i Nano Letters , har forskare från Osaka University och samarbetspartners experimentellt mätt temperaturgradienter i mänskliga celler och med oöverträffad precision. Denna studie kommer att öppna upp nya riktningar inom läkemedelsupptäckt och medicinsk forskning.
Många forskare har misstänkt att övergående intracellulära temperaturgradienter har en bredare effekt på människors hälsa än vad som är allmänt uppskattat, men de kunde inte testa sina hypoteser på grund av begränsningarna i den tillgängliga tekniken. "Nuvarande teknik för intracellulär termisk detektering har otillräcklig rumslig, tidsmässig och avläsningsupplösning för att svara på några långvariga medicinska hypoteser", förklarar Kai Lu, huvudförfattare, "men vår forskning förändrar detta. Vår genetiskt kodade fluorescerande nanotermometer övervinner tidigare tekniska hinder och kommer att vara ovärderlig för att testa sådana hypoteser."
Forskarnas proteinbaserade nanotermometer är baserad på modulerad fluorescenseffekt som är känslig för små temperaturförändringar i celler. Dess avläsningshastighet är minst 39 gånger snabbare än jämförbar teknik och tusen gånger snabbare än en typisk ögonblink. Nanotermometern gjorde det möjligt för forskarna att upptäcka att intracellulär värmediffusion är mer än 5 gånger långsammare än värmediffusion i vatten. Den visade också att avläsningsupplösningen bara är 0,042 grader Celsius vid fysiologisk temperatur, vilket är en ännu högre upplösning än den i en jämförbar installation som är flera tusen gånger långsammare.
Fig. 2. Temperatursvar för B-gTEMP. (A) Fluorescensspektrum för B-gTEMP vid olika temperaturer. mNG:mNeonGreen; tdT:tdTomat. (B) Fluorescensintensitetsförhållande mellan mNG och tdT som svar på temperaturen under en cykel av uppvärmning och kylning. Kredit:Kai Lu et al.
"Vi testade hypotesen att det finns en betydande temperaturskillnad mellan cellkärnan och cytoplasman", säger Takeharu Nagai, senior författare. "Vi hittade ingen signifikant skillnad, men testförhållanden som mer efterliknar typisk fysiologi kan ge olika resultat."
Fig. 3. Snabb värmetransport i celler. Värme alstrades genom att bestråla kolnanorör med en fokuserad röd laserstråle; värmen diffunderade sedan in i den intilliggande HeLa-cellen. Denna process fångades i realtid av kilohertz temperaturavbildning med B-gTEMP. Kredit:Kai Lu et al.
Det finns flera sätt att förbättra funktionen hos forskarnas nanotermometer. En är att förbättra hur länge den varar under mikroskopisk belysning. En annan är att omkonstruera den för att vara känslig för rött eller infrarött ljus och därmed vara mindre skadlig för celler för långtidsavbildning. Under tiden har forskare nu teknologin för att realistiskt undersöka intracellulära temperaturgradienter och avslöja fysiologin som ligger till grund för dessa gradienter. Kanske med denna kunskap kan läkemedel en dag designas för att dra fördel av denna underskattade aspekt av cellfysiologi. + Utforska vidare
