(a) Ilustración de la estructura de un sensor cuántico de nanodiamantes recubierto con un polímero pirogénico, y cómo funciona como un nanocalentador / termómetro híbrido. (b) Imagen de microscopio electrónico de sensores híbridos. (c) Principio de funcionamiento del sensor híbrido para medir la conductividad térmica nanométrica. En un medio con alta conductividad térmica, el aumento de temperatura del sensor de diamante es moderado, porque el calor se difunde fácilmente. A diferencia de, en un medio de baja conductividad térmica, el aumento de temperatura es significativamente mayor. La conductividad térmica intracelular se puede determinar midiendo el cambio de temperatura de los sensores híbridos en las células. Crédito:Universidad de Osaka
Un equipo de científicos de la Universidad de Osaka, la Universidad de Queensland y la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Singapur utilizaron diminutos nanodiamantes recubiertos con un polímero que libera calor para probar las propiedades térmicas de las células. Cuando se irradia con luz de un láser, los sensores actuaron tanto como calentadores como termómetros, permitiendo calcular la conductividad térmica del interior de una celda. Este trabajo puede conducir a un nuevo conjunto de tratamientos basados en calor para matar bacterias o células cancerosas.
Aunque la célula es la unidad fundamental de todos los organismos vivos, algunas propiedades físicas siguen siendo difíciles de estudiar in vivo. Por ejemplo, la conductividad térmica de una celda, así como la velocidad a la que el calor puede fluir a través de un objeto si un lado está caliente mientras que el otro lado está frío, permaneció misterioso. Esta laguna en nuestro conocimiento es importante para aplicaciones como el desarrollo de terapias térmicas que se dirigen a las células cancerosas, y para responder preguntas fundamentales sobre el funcionamiento de la célula.
Ahora, el equipo ha desarrollado una técnica que puede determinar la conductividad térmica dentro de las células vivas con una resolución espacial de aproximadamente 200 nm. Crearon pequeños diamantes cubiertos con un polímero, polidopamina, que emiten tanto luz fluorescente como calor cuando se iluminan con un láser. Los experimentos demostraron que tales partículas no son tóxicas y pueden usarse en células vivas. Cuando está dentro de un líquido o una celda, el calor eleva la temperatura del nanodiamante. En medios con alta conductividad térmica, el nanodiamante no se calentó mucho porque el calor se escapó rápidamente, pero en un entorno de baja conductividad térmica, los nanodiamantes se volvieron más calientes. Crucialmente, las propiedades de la luz emitida dependen de la temperatura, para que el equipo de investigación pudiera calcular la tasa de flujo de calor del sensor al entorno.
(a) Aumentos de temperatura observados con sensores híbridos en el aire, agua, petróleo, y dentro de la celda. Estos resultados son consistentes con la idea de que se producen aumentos de temperatura más altos en disolventes con conductividades térmicas más pequeñas. Los valores de la literatura para las conductividades térmicas del aire, agua, y el aceite son 0.026, 0,61, y 0,135 W / m * K, respectivamente. (b) Imagen microscópica de campo brillante de una celda HeLa con un sensor híbrido en su interior. Crédito:Universidad de Osaka
Tener una buena resolución espacial permitió realizar mediciones en diferentes ubicaciones dentro de las celdas. "Descubrimos que la tasa de difusión del calor en las células, medido por los nanosensores híbridos, fue varias veces más lento que en agua pura, un resultado fascinante que todavía espera una explicación teórica completa y dependía de la ubicación, ", dice el autor principal Taras Plakhotnik.
"Además de mejorar los tratamientos contra el cáncer a base de calor, Creemos que las aplicaciones potenciales de este trabajo resultarán en una mejor comprensión de los trastornos metabólicos, como la obesidad, ", dice el autor principal Madoka Suzuki. Esta herramienta también se puede utilizar para la investigación celular básica, por ejemplo, para monitorear reacciones bioquímicas en tiempo real.
El artículo, "Mediciones in situ de la conductividad térmica intracelular utilizando nanosensores de diamante híbridos de termómetro calefactor, "se publica en Avances de la ciencia .
