Nanodiamond-sensoren kunnen zowel als warmtebronnen als thermometers dienen

Een team van wetenschappers van de Universiteit van Osaka, de Universiteit van Queensland en de technische faculteit van de National University of Singapore gebruikte kleine nanodiamanten bedekt met een warmte-vrijgevend polymeer om de thermische eigenschappen van cellen te onderzoeken. Bij bestraling met licht van een laser fungeerden de sensoren zowel als verwarmers als thermometers, waardoor de thermische geleidbaarheid van het inwendige van een cel kon worden berekend. Dit werk kan leiden tot een nieuwe reeks op warmte gebaseerde behandelingen om bacteriën of kankercellen te doden.

Hoewel de cel de fundamentele eenheid is van alle levende organismen, zijn sommige fysische eigenschappen in vivo moeilijk te bestuderen. De thermische geleidbaarheid van een cel, evenals de snelheid waarmee warmte door een object kan stromen als de ene kant warm is en de andere kant koud, bleef mysterieus. Deze leemte in onze kennis is belangrijk voor toepassingen zoals het ontwikkelen van thermische therapieën die gericht zijn op kankercellen en voor het beantwoorden van fundamentele vragen over celwerking.

Nu heeft het team een ​​techniek ontwikkeld die de thermische geleidbaarheid in levende cellen kan bepalen met een ruimtelijke resolutie van ongeveer 200 nm. Ze creëerden kleine diamanten bedekt met een polymeer, polydopamine, die zowel fluorescerend licht als warmte uitstralen wanneer ze door een laser worden verlicht. Experimenten toonden aan dat dergelijke deeltjes niet giftig zijn en in levende cellen kunnen worden gebruikt. In een vloeistof of cel verhoogt de warmte de temperatuur van de nanodiamant. In media met een hoge thermische geleidbaarheid werd de nanodiamant niet erg heet omdat de warmte snel ontsnapte, maar in een omgeving met een lage thermische geleidbaarheid werden de nanodiamanten heter. Cruciaal is dat de eigenschappen van het uitgestraalde licht afhankelijk zijn van de temperatuur, dus het onderzoeksteam kon de snelheid van de warmtestroom van de sensor naar de omgeving berekenen.

Met een goede ruimtelijke resolutie konden metingen op verschillende locaties in de cellen worden uitgevoerd. “We ontdekten dat de snelheid van warmtediffusie in cellen, zoals gemeten door de hybride nanosensoren, verschillende keren langzamer was dan in zuiver water, een fascinerend resultaat dat nog steeds wacht op een uitgebreide theoretische verklaring en afhankelijk was van de locatie”, zegt senior auteur Taras. Zegt Plakhotnik.

“Naast het verbeteren van op warmte gebaseerde behandelingen voor kanker, denken we dat mogelijke toepassingen voor dit werk zullen resulteren in een beter begrip van stofwisselingsstoornissen, zoals obesitas”, zegt senior auteur Madoka Suzuki. Deze tool kan ook worden gebruikt voor fundamenteel celonderzoek, bijvoorbeeld om biochemische reacties in realtime te volgen.

Het artikel, “In situ metingen van intracellulaire thermische geleidbaarheid met behulp van verwarmingsthermometer hybride diamant nanosensoren”, is gepubliceerd in Science Advances.