Fig. 1. Disegno molecolare di B-gTEMP e risposta di fluorescenza attesa alla temperatura. F(mNG) e F(tdT) sono rispettivamente l'intensità di fluorescenza di mNeonGreen e tdTomato. Credito:Kai Lu et al.
La temperatura corporea è un indicatore fondamentale della salute. La temperatura intracellulare è anche un indicatore di base della salute cellulare; le cellule tumorali sono metabolicamente più attive e quindi possono avere una temperatura leggermente superiore rispetto alle cellule sane. Tuttavia, fino ad ora gli strumenti disponibili per testare tali ipotesi non sono stati all'altezza del compito. In uno studio pubblicato di recente su Nano Letters , i ricercatori dell'Università di Osaka e i partner che collaborano hanno misurato sperimentalmente i gradienti di temperatura all'interno delle cellule umane e con una precisione senza precedenti. Questo studio aprirà nuove direzioni nella scoperta di farmaci e nella ricerca medica.
Molti ricercatori hanno sospettato che i gradienti di temperatura intracellulari transitori abbiano un effetto sulla salute umana più ampio di quanto comunemente ritenuto, ma non sono stati in grado di testare le loro ipotesi a causa dei limiti della tecnologia a loro disposizione. "L'attuale tecnologia di rilevamento termico intracellulare ha una risoluzione spaziale, temporale e di lettura insufficiente per rispondere ad alcune ipotesi mediche di vecchia data", spiega Kai Lu, autore principale, "ma la nostra ricerca cambia questo. Il nostro nanotermometro fluorescente geneticamente codificato supera gli ostacoli tecnici precedenti e lo farà essere prezioso per testare tali ipotesi."
Il nanotermometro a base di proteine dei ricercatori si basa su un'uscita di fluorescenza modulata che è sensibile a piccoli cambiamenti di temperatura all'interno delle cellule. La sua velocità di lettura è almeno 39 volte più veloce di una tecnologia comparabile e mille volte più veloce di un tipico battito di ciglia. Il nanotermometro ha permesso ai ricercatori di scoprire che la diffusione del calore intracellulare è più di 5 volte più lenta della diffusione del calore nell'acqua. Ha anche mostrato che la risoluzione di lettura è di soli 0,042 gradi Celsius alla temperatura fisiologica, che è una risoluzione ancora più alta di quella in una configurazione comparabile che è diverse migliaia di volte più lenta.
Fig. 2. Risposta alla temperatura di B-gTEMP. (A) Spettro di fluorescenza di B-gTEMP a varie temperature. mNG:mNeonGreen; tdT:tdPomodoro. (B) Rapporto di intensità di fluorescenza tra mNG e tdT in risposta alla temperatura durante un ciclo di riscaldamento e raffreddamento. Credito:Kai Lu et al.
"Abbiamo testato l'ipotesi che ci sia una sostanziale differenza di temperatura tra il nucleo cellulare e il citoplasma", afferma Takeharu Nagai, autore senior. "Non abbiamo trovato una differenza significativa, ma condizioni di test che imitano più da vicino la fisiologia tipica potrebbero dare risultati diversi."
Fig. 3. Trasporto di calore rapido nelle cellule. Il calore è stato generato irradiando nanotubi di carbonio con un raggio laser rosso focalizzato; il calore si è poi diffuso nella cella HeLa adiacente. Questo processo è stato catturato in tempo reale dall'imaging della temperatura in kilohertz con B-gTEMP. Credito:Kai Lu et al.
Esistono diversi mezzi per migliorare la funzionalità del nanotermometro dei ricercatori. Uno è migliorare la durata dell'illuminazione microscopica. Un altro è riprogettarlo per renderlo sensibile alla luce rossa o infrarossa e quindi essere meno dannoso per le cellule per l'imaging a lungo termine. Nel frattempo, i ricercatori ora hanno la tecnologia per sondare realisticamente i gradienti di temperatura intracellulare e scoprire la fisiologia alla base di questi gradienti. Forse con questa conoscenza, un giorno i farmaci potranno essere progettati per trarre vantaggio da questo aspetto sottovalutato della fisiologia cellulare. + Esplora ulteriormente
