Los nanotermómetros luminiscentes tienen un tamaño mucho más pequeño que las bacterias y las células humanas, lo que hace posible la medición de temperaturas en organismos tan pequeños. Por otro lado, los termómetros clásicos son mucho más grandes y no pueden monitorear la temperatura en microambientes biológicos con suficiente resolución espacial y sin perturbar mucho a las especies sondeadas. Crédito:Erving Ximendes
La temperatura y el intercambio de calor están en la base de los procesos biológicos en todo el reino de la Naturaleza. Varios de estos procesos biológicos están asociados con cambios de temperatura del orden de unos pocos grados o incluso por debajo de 0,1 grados centígrados. Por ejemplo, en los reptiles una diferencia de menos de un grado en la temperatura de incubación del huevo determina el sexo del recién nacido. El cuerpo humano no es una excepción:un pequeño aumento de temperatura por encima del nivel basal podría alterar la dinámica celular o inducir el desmantelamiento de una matriz tumoral, y durante las convulsiones se producen cambios en la temperatura cerebral de unos pocos decimales. Para monitorear de manera confiable estos procesos, se necesitan enfoques que perturben mínimamente el sistema de estudios y tengan una precisión termométrica por debajo de 0,1 grados centígrados.
En este sentido, en un nuevo estudio publicado en Light:Science &Applications , un equipo de científicos de España y Portugal ha descifrado el código para una mayor precisión en la lectura térmica utilizando nanotermómetros luminiscentes. Estos son nanomateriales cuyas propiedades ópticas son sensibles a los cambios de temperatura y pueden insertarse en (micro)entornos biológicos para actuar como nanosondas de temperatura hasta el nivel de una sola célula. Con su tamaño reducido, cumplen con el requisito previo de mínima perturbación del sistema sondeado. Sin embargo, cuando se opera en ambientes acuosos, la precisión en la lectura de la temperatura es generalmente superior a 0,1 grados centígrados.
Para calibrar un nanotermómetro luminiscente, los cambios en las propiedades ópticas del nanomaterial se correlacionan cuantitativamente con las variaciones en la temperatura del entorno circundante. Esta calibración pasa por la selección de un parámetro termométrico adecuado y la adquisición de un conjunto de datos de calibración, lo que significa que la fotoluminiscencia (absorción de fotones seguida de emisión de fotones) del nanotermómetro se registra en función de un conjunto de temperaturas. Mediante el uso de enfoques de análisis de grandes datos denominados colectivamente reducción de dimensionalidad, los investigadores han demostrado que es posible automatizar la selección del parámetro termométrico que maximiza la precisión del enfoque termométrico.
(a) Un nanotermómetro luminiscente es una nanopartícula fotoluminiscente que puede absorber y volver a emitir energía en forma de luz (las flechas onduladas representan fotones). (b) Para la calibración de un nanotermómetro luminiscente, debe registrarse su fotoluminiscencia a diferentes temperaturas. (c) Clásicamente, a esto le sigue la selección de un parámetro termométrico como la posición del máximo (λ) o la intensidad integrada (I) del espectro de emisión y representarlo frente al valor de la temperatura a la que se recogió cada espectro. Crédito:Erving Ximendes
"La calibración de un nanotermómetro luminiscente solía implicar un tedioso método de prueba y error en el que se probaban de forma independiente diferentes parámetros termométricos, como cambios de color e intensidad. Y, aunque el parámetro finalmente seleccionado era el mejor entre los investigados, no había no hay garantía de que haya sido EL mejor. Con el enfoque que proponemos, se puede conectar fácilmente un conjunto de datos de calibración y se le recompensa automáticamente con la precisión más alta que su nanotermómetro puede permitirse", dijeron los científicos.
"Para lograr este resultado, empleamos enfoques matemáticos que están en la base de las tecnologías que se están generalizando rápidamente en nuestra sociedad, como el reconocimiento facial y de voz y los dispositivos de cancelación de ruido. Estos enfoques de reducción de dimensionalidad son algoritmos poderosos que pueden reconocer las características más significativas de una clase de objetos e ignorar los detalles más pequeños que en general son menos significativos. Este entrenamiento del algoritmo permite, por ejemplo, el reconocimiento de objetos".
(a) La aplicación de un enfoque de reducción de dimensionalidad (en este caso, una transformación lineal como el análisis de componentes principales) da como resultado la definición de un nuevo espacio de coordenadas en el que un cambio de temperatura es más fácilmente cuantificable. (b) Un ejemplo de la mayor precisión de la nanotermometría de luminiscencia lograda aplicando enfoques de reducción de dimensionalidad (DR) (línea verde azulado) en comparación con un enfoque clásico de prueba y error (línea magenta) para definir el parámetro termométrico. La línea negra es la temperatura real del medio en el que están incrustados los nanotermómetros luminiscentes. Crédito:Erving Ximendes
"Los enfoques de reducción de la dimensionalidad permiten aprovechar todo el potencial de la nanotermometría de luminiscencia, lo que garantiza que cada vez que se utiliza el nanotermómetro funcione con los estándares más altos. Ahora podemos realmente considerar el uso de la nanotermometría luminiscente para monitorear las fluctuaciones de temperatura que antes eran esquivas y que ocurren en los sistemas biológicos y correlacionarlos con eventos fisiológicos".
Los investigadores agregaron que "confían en que veremos un florecimiento de ejemplos en los que se emplean enfoques matemáticos similares para minimizar el componente humano y mejorar el rendimiento de las tecnologías de detección". El nanotermómetro intracelular tiene una versatilidad sin precedentes
