Ingegneria cellulare termodinamica:la creazione di un minuscolo punto di calore consente di regolare le funzioni cellulari. Credito:Università di Kanazawa
I ricercatori dell'Università di Kanazawa riferiscono su ACS Nano lo sviluppo di una nanoparticella che funge da riscaldatore e termometro. Inserendo la nanoparticella nelle cellule viventi si ottiene una macchia di calore che, accendendola e spegnendola, consente la modulazione controllata delle attività cellulari locali.
Essere in grado di riscaldare regioni di dimensioni nanometriche nei tessuti biologici è fondamentale per diverse applicazioni biomediche. In effetti, molti processi biologici sono sensibili alla temperatura e la capacità di modificare localmente la temperatura fornisce un modo per manipolare l'attività cellulare. Uno scopo notevole è la distruzione delle cellule tumorali riscaldandole. Oltre alla necessità di un meccanismo di riscaldamento locale interno al tessuto, è anche importante poter misurare istantaneamente la temperatura generata. Satoshi Arai dell'Università di Kanazawa e colleghi hanno ora progettato una nanoparticella che è allo stesso tempo un nanoriscaldatore e un nanotermometro. Hanno dimostrato con successo che l'inserimento di un singolo punto di calore controllabile nel tessuto può essere molto efficace nel modificare la funzione cellulare.
La nanoparticella, chiamata "nanoHT" dagli scienziati - abbreviazione di "nanoheater-termometer" - è essenzialmente una matrice polimerica che incorpora una molecola di colorante (chiamata EuDT) utilizzata per rilevare la temperatura e un'altra molecola di colorante (chiamata V-Nc) per rilasciare calore. Quest'ultimo avviene attraverso la conversione della luce in energia termica (l'effetto fototermico, sfruttato anche nelle celle solari):puntando un laser nel vicino infrarosso (con una lunghezza d'onda di 808 nanometri) su V-Nc si ottiene un riscaldamento veloce, con un aumento più forte in temperatura per una maggiore potenza laser.
Il rilevamento della temperatura si basa sull'effetto di fluorescenza termica di EuDT. Quando irradiata con luce di una lunghezza d'onda, la molecola emette luce a un'altra lunghezza d'onda:la fluorescenza. Più alta è la temperatura, meno intensa diventa la fluorescenza. Questa relazione inversa può essere utilizzata per misurare la temperatura. Arai e colleghi hanno testato le prestazioni di nanoHT come termometro e hanno stabilito che può determinare temperature con una risoluzione di 0,8 gradi Celsius e inferiore.
Sistema microscopico per il nanoriscaldamento. A) Immagini schematiche e microscopiche di nanoriscaldatori (nanoHT) (microscopia elettronica a trasmissione). B) Un sistema per riscaldare una regione localizzata a livello cellulare singolo (pannello superiore). Un singolo punto di nanoHT si trovava all'interno di una singola cella (pannello in basso a sinistra). Il gradiente di temperatura su microscala è stato generato a livello subcellulare (pannello in basso a destra). Credito:Università di Kanazawa
I ricercatori hanno quindi eseguito esperimenti con un tipo di cellule umane chiamate cellule HeLa. Hanno esaminato l'effetto del riscaldamento attraverso nanoHT e hanno scoperto che con un incremento di temperatura di circa 11,4 gradi Celsius, le cellule HeLa riscaldate morivano dopo solo pochi secondi. Questa scoperta suggerisce che nanoHT potrebbe essere utilizzato per indurre la morte cellulare nelle cellule tumorali.
Arai e colleghi hanno anche studiato come nanoHT può essere utilizzato per influenzare il comportamento dei muscoli. Hanno introdotto la nanoparticella nel miotubo, un tipo di fibra presente nel tessuto muscolare. Dopo aver riscaldato il miotubo di circa 10,5 gradi Celsius, il tessuto muscolare si è contratto. La procedura ha funzionato in modo reversibile; lasciare che il miotubo si raffreddi di nuovo ha portato al rilassamento muscolare.
Il lavoro di Arai e colleghi mostra che il riscaldamento locale su scala subcellulare mediante nanoHT consente la manipolazione controllata dell'attività di una singola cellula. Per quanto riguarda le applicazioni, gli scienziati ritengono che "l'applicazione mirata di nanoHT abbia una gamma diversificata e versatile di capacità per regolare le attività cellulari che faciliterebbero lo sviluppo dell'ingegneria cellulare termodinamica".
Una nanoparticella che combina il riscaldamento fototermico e la termometria a fluorescenza funziona come una macchia di calore localizzata ed è in grado di indurre la morte cellulare o la contrazione muscolare. Credito:Università di Kanazawa
Fluorescenza
La fluorescenza si riferisce all'emissione di luce da parte di una sostanza dopo la quale ha assorbito luce (o un altro tipo di radiazione elettromagnetica). Tipicamente, la luce emessa ha una lunghezza d'onda maggiore, e quindi un'energia fotonica inferiore, rispetto alla radiazione assorbita. Un noto caso di fluorescenza si verifica quando la radiazione assorbita è nella regione ultravioletta dello spettro, invisibile all'occhio umano, mentre la luce emessa è nella regione visibile.
La termometria fluorescente è una tecnica per misurare le temperature attraverso l'uso di molecole di colorante fluorescente, la cui intensità di fluorescenza è una forte funzione della temperatura. Le molecole di colorante vengono inserite in un materiale di interesse; la conoscenza dettagliata dell'intensità della fluorescenza rispetto alla dipendenza dalla temperatura consente di dedurre la temperatura del materiale. (Le molecole di colorante sono eccitate per diventare fluorescenti dalla luce incidente; la sua intensità fornisce una misura della temperatura locale.)
Satoshi Arai dell'Università di Kanazawa e colleghi hanno utilizzato molecole di colorante fluorescente per sviluppare nanoHT, una nanoparticella che funge sia da riscaldatore che da termometro per applicazioni nano-bio. + Esplora ulteriormente
