Onderzoekers van Kanazawa University rapporteren in ACS Nano de ontwikkeling van een nanodeeltje dat fungeert als verwarming en thermometer. Het inbrengen van het nanodeeltje in levende cellen resulteert in een hitteplek die, door het aan en uit te zetten, de gecontroleerde modulatie van lokale cellulaire activiteiten mogelijk maakt.

Het kunnen verwarmen van gebieden van nanogrootte in biologische weefsels is de sleutel tot verschillende biomedische toepassingen. Veel biologische processen zijn inderdaad temperatuurgevoelig en het vermogen om de temperatuur lokaal te wijzigen, biedt een manier om cellulaire activiteit te manipuleren. Een opmerkelijk doel is de vernietiging van kankercellen door ze te verhitten. Naast de noodzaak van een lokaal verwarmingsmechanisme in het weefsel, is het ook belangrijk om de gegenereerde temperatuur onmiddellijk te kunnen meten. Satoshi Arai van Kanazawa University en collega's hebben nu een nanodeeltje ontwikkeld dat tegelijkertijd een nanoverwarmer en een nanothermometer is. Ze hebben met succes aangetoond dat het inbrengen van een enkele, controleerbare warmtevlek in weefsel zeer effectief kan zijn bij het wijzigen van de cellulaire functie.

Het nanodeeltje, door de wetenschappers "nanoHT" genoemd - een afkorting van "nanoheater-thermometer" - is in wezen een polymeermatrix die een kleurstofmolecuul (EuDT genaamd) bevat dat wordt gebruikt voor het meten van temperatuur, en een ander kleurstofmolecuul (genaamd V-Nc) voor het vrijgeven warmte. Dit laatste gebeurt door de omzetting van licht in thermische energie (het fotothermische effect, ook benut in zonnecellen):het schijnen van een nabij-infraroodlaser (met een golflengte van 808 nanometer) op V-Nc resulteert in een snelle opwarming, met een sterkere toename in temperatuur voor een hoger laservermogen.

Temperatuurwaarneming is gebaseerd op het thermische fluorescentie-effect van EuDT. Wanneer het wordt bestraald met licht van één golflengte, zendt het molecuul licht uit met een andere golflengte:fluorescentie. Hoe hoger de temperatuur, hoe minder intens de fluorescentie wordt. Deze inverse relatie kan worden gebruikt om de temperatuur te meten. Arai en collega's testten de prestaties van nanoHT als thermometer en stelden vast dat het temperaturen kan bepalen met een resolutie van 0,8 graden Celsius en minder.

De onderzoekers voerden vervolgens experimenten uit met een type menselijke cellen genaamd HeLa-cellen. Ze keken naar het effect van verwarming via nanoHT en ontdekten dat bij een temperatuurstijging van ongeveer 11,4 graden Celsius de verwarmde HeLa-cellen al na enkele seconden stierven. Deze bevinding suggereert dat nanoHT kan worden gebruikt om celdood in kankercellen te induceren.

Arai en collega's hebben ook onderzocht hoe nanoHT kan worden gebruikt om het gedrag van spieren te beïnvloeden. Ze brachten het nanodeeltje in myotube, een type vezel dat aanwezig is in spierweefsel. Bij verwarming van de myotube met ongeveer 10,5 graden Celsius trok het spierweefsel samen. De procedure werkte omkeerbaar; het weer laten afkoelen van de myotube leidde tot spierontspanning.

Het werk van Arai en collega's laat zien dat lokale verwarming op subcellulaire schaal door middel van nanoHT de gecontroleerde manipulatie van de activiteit van een enkele cel mogelijk maakt. Met betrekking tot toepassingen zijn de wetenschappers van mening dat "de gerichte toepassing van nanoHT een divers en veelzijdig scala aan mogelijkheden heeft om cellulaire activiteiten te reguleren die de ontwikkeling van thermodynamische celtechnologie zouden vergemakkelijken."

Fluorescentie

Fluorescentie verwijst naar de emissie van licht door een stof waarna deze licht (of een ander type elektromagnetische straling) heeft geabsorbeerd. Typisch heeft het uitgezonden licht een langere golflengte, en dus een lagere fotonenergie, dan de geabsorbeerde straling. Een bekend geval van fluorescentie treedt op wanneer de geabsorbeerde straling zich in het ultraviolette gebied van het spectrum bevindt, onzichtbaar voor het menselijk oog, terwijl het uitgestraalde licht zich in het zichtbare gebied bevindt.

Fluorescerende thermometrie is een techniek voor het meten van temperaturen door het gebruik van fluorescerende kleurstofmoleculen, waarvan de fluorescentie-intensiteit een sterke functie van temperatuur is. De kleurstofmoleculen worden in een interessant materiaal ingebracht; gedetailleerde kennis van de fluorescentie-intensiteit versus temperatuurafhankelijkheid maakt het mogelijk om de temperatuur van het materiaal af te leiden. (De kleurstofmoleculen worden geëxciteerd om te fluoresceren door invallend licht; de intensiteit ervan geeft een maat voor de lokale temperatuur.)

Satoshi Arai van de Kanazawa University en collega's gebruikten fluorescentiekleurstofmoleculen om nanoHT te ontwikkelen, een nanodeeltje dat zowel als verwarming en als thermometer voor nanobio-toepassingen fungeert. + Verder verkennen

Intracellulaire nanothermometer heeft ongekende veelzijdigheid