Forskere udvikler en nanopartikel, der fungerer som varmelegeme og termometer

Forskere ved Kanazawa University rapporterer i ACS Nano udviklingen af ​​en nanopartikel, der fungerer som varmelegeme og termometer. Indsættelse af nanopartikler i levende celler resulterer i en varmeplet, der ved at tænde og slukke for den muliggør kontrolleret modulering af lokale cellulære aktiviteter.

At være i stand til at opvarme områder i nanostørrelse i biologiske væv er nøglen til flere biomedicinske anvendelser. Faktisk er mange biologiske processer temperaturfølsomme, og evnen til lokalt at ændre temperaturen giver en måde at manipulere cellulær aktivitet på. Et bemærkelsesværdigt formål er ødelæggelsen af ​​kræftceller ved at opvarme dem. Udover behovet for en lokal opvarmningsmekanisme i vævet, er det også vigtigt at være i stand til øjeblikkeligt at måle den genererede temperatur. Satoshi Arai fra Kanazawa University og kolleger har nu konstrueret en nanopartikel, der både er en nanovarmer og et nanotermometer på samme tid. De viste med succes, at indsættelse af en enkelt, kontrollerbar varmeplet i væv kan være meget effektiv til at modificere cellulær funktion.

Nanopartikelen, kaldet "nanoHT" af forskerne - en forkortelse af "nanovarmer-termometer" - er i det væsentlige en polymermatrix, der indlejrer et farvestofmolekyle (kaldet EuDT), der bruges til at måle temperatur, og et andet farvestofmolekyle (kaldet V-Nc) til frigivelse varme. Sidstnævnte sker gennem omdannelsen af ​​lys til termisk energi (den fototermiske effekt, som også udnyttes i solceller):at skinne en nær-infrarød laser (med en bølgelængde på 808 nanometer) på V-Nc resulterer i hurtig opvarmning med en stærkere stigning i temperatur for højere lasereffekt.

Temperaturføling er baseret på den termiske fluorescenseffekt af EuDT. Når det bestråles med lys af en bølgelængde, udsender molekylet lys ved en anden bølgelængde - fluorescens. Jo højere temperatur, jo mindre intens bliver fluorescensen. Dette omvendte forhold kan bruges til at måle temperatur. Arai og kolleger testede ydeevnen af ​​nanoHT som et termometer og konstaterede, at det kan bestemme temperaturer med en opløsning på 0,8 grader Celsius og mindre.

Forskerne udførte derefter eksperimenter med en type menneskelige celler kaldet HeLa-celler. De så på effekten af ​​opvarmning gennem nanoHT og fandt ud af, at ved en temperaturstigning på omkring 11,4 grader Celsius døde de opvarmede HeLa-celler efter kun få sekunder. Dette fund tyder på, at nanoHT kunne bruges til at inducere celledød i cancerceller.

Arai og kolleger undersøgte også, hvordan nanoHT kan bruges til at påvirke musklernes adfærd. De introducerede nanopartiklerne i myotube, en type fiber, der findes i muskelvæv. Ved opvarmning af myotuben med cirka 10,5 grader Celsius, trak muskelvævet sig sammen. Proceduren fungerede reversibelt; at lade myotuben afkøle igen førte til muskelafslapning.

Arai og kollegers arbejde viser, at lokal opvarmning i subcellulær skala ved hjælp af nanoHT muliggør kontrolleret manipulation af en enkelt celles aktivitet. Med hensyn til applikationer mener forskerne, at "den målrettede anvendelse af nanoHT har en mangfoldig og alsidig række af muligheder til at regulere cellulære aktiviteter, der ville lette udviklingen af ​​termodynamisk celleteknik."

Fluorescens

Fluorescens refererer til udsendelse af lys fra et stof, hvorefter det har absorberet lys (eller en anden type elektromagnetisk stråling). Typisk har det udsendte lys en længere bølgelængde, og dermed en lavere fotonenergi, end den absorberede stråling. Et velkendt tilfælde af fluorescens sker, når den absorberede stråling er i det ultraviolette område af spektret, usynligt for det menneskelige øje, mens det udsendte lys er i det synlige område.

Fluorescerende termometri er en teknik til måling af temperaturer ved brug af fluorescerende farvestofmolekyler, hvis fluorescensintensitet er en stærk funktion af temperaturen. Farvestofmolekylerne indsættes i et materiale af interesse; detaljeret viden om fluorescensintensiteten vs. temperaturafhængighed gør det muligt at udlede materialets temperatur. (Farvestofmolekylerne exciteres til at fluorescere af indfaldende lys; dets intensitet giver et mål for den lokale temperatur.)

Satoshi Arai fra Kanazawa University og kolleger brugte fluorescensfarvestofmolekyler til at udvikle nanoHT, en nanopartikel, der både fungerer som et varmelegeme og et termometer til nano-bio-applikationer. + Udforsk yderligere

Intracellulært nanotermometer har hidtil uset alsidighed