Nanodiamanten spüren die Hitze
Nanodiamant-Sensor kann sowohl als Wärmequelle als auch als Thermometer fungieren und könnte zu einer neuen Reihe von wärmebasierten Behandlungen zum Abtöten von Bakterien oder Krebszellen führen
Ein Team von Wissenschaftlern der Osaka University, der University of Queensland und der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der National University of Singapore verwendete winzige Nanodiamanten, die mit einem wärmeabgebenden Polymer beschichtet waren, um die thermischen Eigenschaften von Zellen zu untersuchen. Wenn sie mit dem Licht eines Lasers bestrahlt wurden, fungierten die Sensoren sowohl als Heizer als auch als Thermometer, wodurch die Wärmeleitfähigkeit des Zellinneren berechnet werden konnte. Diese Arbeit könnte zu einer neuen Reihe von wärmebasierten Behandlungen zum Abtöten von Bakterien oder Krebszellen führen.
(a) Veranschaulichung der Struktur eines Nanodiamant-Quantensensors, der mit einem pyrogenen Polymer beschichtet ist, und wie er als hybrider Nanoheizer/Thermometer funktioniert. (b) Elektronenmikroskopische Aufnahme des Hybridsensors. (c) Funktionsprinzip des Hybridsensors zur Messung der nanometrischen Wärmeleitfähigkeit. In einem Medium mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist die Temperaturerhöhung des Diamantsensors moderat, da die Wärme leicht wegdiffundiert. Im Gegensatz dazu ist der Temperaturanstieg in einem Medium mit niedriger Wärmeleitfähigkeit deutlich größer. Die intrazelluläre Wärmeleitfähigkeit kann durch Messung der Temperaturänderung der Hybridsensoren in Zellen bestimmt werden.
Osaka University
(a) Mit Hybridsensoren beobachtete Temperaturerhöhungen in Luft, Wasser, Öl und in der Zelle. Diese Ergebnisse stimmen mit der Vorstellung überein, dass höhere Temperaturerhöhungen in Lösungsmitteln mit kleineren Wärmeleitfähigkeiten auftreten. Die Literaturwerte für die Wärmeleitfähigkeiten von Luft, Wasser und Öl sind 0,026, 0,61 bzw. 0,135 W/m* K. (b) Hellfeldmikroskopische Aufnahme einer HeLa-Zelle mit einem Hybridsensor im Inneren.
Osaka University
Obwohl die Zelle die grundlegende Einheit aller lebenden Organismen ist, sind einige physikalische Eigenschaften in vivo nur schwer zu untersuchen. Zum Beispiel blieb die Wärmeleitfähigkeit einer Zelle sowie die Geschwindigkeit, mit der Wärme durch ein Objekt fließen kann, wenn eine Seite heiß und die andere Seite kalt ist, rätselhaft. Diese Wissenslücke ist wichtig für Anwendungen wie die Entwicklung von Wärmetherapien, die auf Krebszellen abzielen, und für die Beantwortung grundlegender Fragen zur Funktionsweise von Zellen.
Jetzt hat das Team eine Technik entwickelt, die die Wärmeleitfähigkeit im Inneren lebender Zellen mit einer räumlichen Auflösung von etwa 200 nm bestimmen kann. Sie stellten winzige Diamanten her, die mit einem Polymer, Polydopamin, beschichtet sind und sowohl Fluoreszenzlicht als auch Wärme emittieren, wenn sie mit einem Laser beleuchtet werden. Experimente zeigten, dass solche Partikel ungiftig sind und in lebenden Zellen eingesetzt werden können. Wenn sie sich in einer Flüssigkeit oder einer Zelle befinden, erhöht die Wärme die Temperatur des Nanodiamanten. In Medien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wurde der Nanodiamant nicht sehr heiß, da die Wärme schnell entweichen konnte, aber in einer Umgebung mit geringer Wärmeleitfähigkeit wurden die Nanodiamanten heißer. Entscheidend ist, dass die Eigenschaften des emittierten Lichts von der Temperatur abhängen, so dass das Forscherteam die Rate des Wärmeflusses vom Sensor zur Umgebung berechnen konnte.
Die gute räumliche Auflösung ermöglichte Messungen an verschiedenen Stellen innerhalb der Zellen. "Wir fanden heraus, dass die von den hybriden Nanosensoren gemessene Rate der Wärmediffusion in Zellen um ein Vielfaches langsamer war als in reinem Wasser, ein faszinierendes Ergebnis, das noch auf eine umfassende theoretische Erklärung wartet und vom Ort abhängig war", sagt Seniorautor Taras Plakhotnik.
"Neben der Verbesserung von wärmebasierten Behandlungen für Krebs, denken wir, dass mögliche Anwendungen für diese Arbeit zu einem besseren Verständnis von Stoffwechselstörungen, wie z.B. Fettleibigkeit, führen werden", sagt Seniorautorin Madoka Suzuki. Dieses Werkzeug kann auch für die grundlegende Zellforschung verwendet werden, zum Beispiel, um biochemische Reaktionen in Echtzeit zu überwachen.
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