Ερευνητές βρήκαν έναν νέο τρόπο να μετρούν την θερμοκρασία των κυττάρων, χρησιμοποιώντας διαμάντια, ο οποίος έχει πολλές εφαρμογές και ίσως μπορέσει να βοηθήσει στην καταπολέμηση του καρκίνου.
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ έχουν δημιουργήσει ένα νέο νανοθερμόμετρο με προοπτικές χρήσης για τη μέτρηση των μεταβολών της θερμοκρασίας των κυττάρων. Η διάταξη, η οποία βασίζεται σε νανοκρυστάλλους διαμαντιών και «εγχέεται» στο εσωτερικό των κυττάρων με τη χρήση νανοσυρμάτων, μπορεί να ανιχνεύσει απειροελάχιστες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, ακόμη και της τάξης των ±0,001 βαθμών Κελσίου. Με την περαιτέρω βελτίωσή της, μπορεί κάλλιστα να χρησιμοποιηθεί στην εξέταση μιας σειράς θερμοευαίσθητων φαινομένων σε βιολογικά κύτταρα, αλλά ακόμη και να βοηθήσει στην ανάπτυξη θεραπειών υπερθερμίας για τον καρκίνο.
Στο νέο πόνημά τους, οι ερευνητές, με επικεφαλής τον Mikhail Lukin του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, εκμεταλλεύθηκαν τα κενά αζώτου (ΚΑ) στα κέντρα των διαμαντιών. Τα ΚΑ είναι ατέλειες που προκύπτουν όταν δύο γειτονικά άτομα άνθρακα αντικαθίστανται από ένα άτομο αζώτου και μία κενή θέση στο πλέγμα.
Η θεμελιώδης κατάσταση στο κέντρου ενός ΚΑ χωρίζεται σε δύο ενεργειακά επίπεδα –χαμηλής και υψηλής ενέργειας– και η διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο επιπέδων είναι γνωστή ως συχνότητα μετάβασης. Όταν ένα διαμάντι ψύχεται ή θερμαίνεται, η συχνότητα μετάβασης των ΚΑ μετατοπίζεται ανάλογα. Η νέα τεχνική της νανοθερμομέτρησης λειτουργεί με ακρίβεια μετρώντας αυτή τη μετατόπιση –η οποία μπορεί να ανιχνευθεί χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία φθορισμού– και στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας αυτή τη μέτρηση υπολογίζει επακριβώς τη θερμοκρασία του νανοδιαμαντιού. Επιπλέον, δεδομένου ότι το διαμάντι είναι καλός αγωγός της θερμότητας, πιθανόν να έχει και την ίδια θερμοκρασία με το άμεσο περιβάλλον του· στην προκειμένη περίπτωση, ένα βιολογικό κύτταρο.
«Χάρη στο μικρό μέγεθος ενός μεμονωμένου ΚΑ, στις μετρήσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν διαμάντια μεγέθους μόλις μερικών δεκάδων νανομέτρων» εξηγεί ο Peter Maurer, μέλος της ομάδας του Lukin. «Αυτό παρέχει τη δυνατότητα για τη δημιουργία ενός θερμομέτρου υψηλής ευαισθησίας που είναι επίσης συμβατό με το μέγεθος των ζωντανών κυττάρων, τα οποία με τη σειρά τους έχουν διάμετρο της τάξης των μικρομέτρων (σ.σ. τα 1 μικρόμετρο ή 1μm είναι το ένα εκατομμυριαστό του μέτρου)».
Η διάταξη, που οι ερευνητές ενέχυσαν στα βιολογικά κύτταρα κατά τη διάρκεια των πειραμάτων τους χρησιμοποιώντας νανοσύρματα-«βελόνες», μπορεί να ανιχνεύσει μεταβολές της θερμοκρασίας της τάξεως των 1,8 mK (σε δείγμα υπερκαθαρού διαμαντιού) και σε αποστάσεις 200 nm.
Στο νέο πόνημά τους, οι ερευνητές, με επικεφαλής τον Mikhail Lukin του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, εκμεταλλεύθηκαν τα κενά αζώτου (ΚΑ) στα κέντρα των διαμαντιών. Τα ΚΑ είναι ατέλειες που προκύπτουν όταν δύο γειτονικά άτομα άνθρακα αντικαθίστανται από ένα άτομο αζώτου και μία κενή θέση στο πλέγμα.
Η θεμελιώδης κατάσταση στο κέντρου ενός ΚΑ χωρίζεται σε δύο ενεργειακά επίπεδα –χαμηλής και υψηλής ενέργειας– και η διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο επιπέδων είναι γνωστή ως συχνότητα μετάβασης. Όταν ένα διαμάντι ψύχεται ή θερμαίνεται, η συχνότητα μετάβασης των ΚΑ μετατοπίζεται ανάλογα. Η νέα τεχνική της νανοθερμομέτρησης λειτουργεί με ακρίβεια μετρώντας αυτή τη μετατόπιση –η οποία μπορεί να ανιχνευθεί χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία φθορισμού– και στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας αυτή τη μέτρηση υπολογίζει επακριβώς τη θερμοκρασία του νανοδιαμαντιού. Επιπλέον, δεδομένου ότι το διαμάντι είναι καλός αγωγός της θερμότητας, πιθανόν να έχει και την ίδια θερμοκρασία με το άμεσο περιβάλλον του· στην προκειμένη περίπτωση, ένα βιολογικό κύτταρο.
«Χάρη στο μικρό μέγεθος ενός μεμονωμένου ΚΑ, στις μετρήσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν διαμάντια μεγέθους μόλις μερικών δεκάδων νανομέτρων» εξηγεί ο Peter Maurer, μέλος της ομάδας του Lukin. «Αυτό παρέχει τη δυνατότητα για τη δημιουργία ενός θερμομέτρου υψηλής ευαισθησίας που είναι επίσης συμβατό με το μέγεθος των ζωντανών κυττάρων, τα οποία με τη σειρά τους έχουν διάμετρο της τάξης των μικρομέτρων (σ.σ. τα 1 μικρόμετρο ή 1μm είναι το ένα εκατομμυριαστό του μέτρου)».
Η διάταξη, που οι ερευνητές ενέχυσαν στα βιολογικά κύτταρα κατά τη διάρκεια των πειραμάτων τους χρησιμοποιώντας νανοσύρματα-«βελόνες», μπορεί να ανιχνεύσει μεταβολές της θερμοκρασίας της τάξεως των 1,8 mK (σε δείγμα υπερκαθαρού διαμαντιού) και σε αποστάσεις 200 nm.
Σχηματική αναπαράσταση που απεικονίζει τα νανοδιαμάντια (με γκρι χρώμα) μαζί με ένα νανοσωματίδιο χρυσού (η κίτρινη σφαίρα) μέσα σε ένα ζωντανό κύτταρο (με μπλε χρώμα, τα υπόλοιπα αντικείμενα με μπλε χρώμα είναι και αυτά κύτταρα) το οποίο βρίσκεται πάνω σ' έναν κυματοδηγό (κίτρινες ρίγες).
Διαμάντια και χρυσός εναντίον καρκίνου
Σε μια άλλη σειρά πειραμάτων, ο Lukin και οι συνεργάτες του συνδύασαν το θερμόμετρο νανοδιαμαντιών με νανοσωματίδια χρυσού που είχαν διεγερθεί με φως λέιζερ και, ως εκ τούτου, συμπεριφέρονταν ως τοπικές πηγές θερμότητας. Με αυτή την τεχνική, η ομάδα κατάφερε όχι μόνο να επιβλέπει αλλά και να ελέγχει τη θερμοκρασία ενός βιολογικού κυττάρου – σε μία συγκεκριμένη περίπτωση, μίας μεμονωμένης ινοβλάστης εμβρύου. Η θερμότητα που παρήγαγαν τα νανοσωματίδια χρυσού μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την καταστροφή του κυττάρου, διαπίστωσαν οι ερευνητές. Μάλιστα, υπολόγισαν επιτυχώς και επακριβώς την απαιτούμενη ποσότητα θερμότητας για να το κάνουν. «Πιστεύουμε πως ο συνδυασμός μιας τέτοιας υπερθερμικής θεραπείας και του νανοαισθητήρα θερμοκρασίας μπορεί να αποτελέσει ισχυρό εργαλείο για την επιλεκτική αναγνώριση και νέκρωση κυττάρων όγκων, για παράδειγμα, χωρίς να προκαλείται βλάβη στον περιβάλλοντα υγιή ιστό» αναφέρει ο Georg Kucsko, μέλος της ομάδας.
«Αν βελτιώσουμε περαιτέρω την ευαισθησία της εφεύρεσής μας, θα μπορούμε να τη χρησιμοποιούμε για να παρακολουθούμε σε πραγματικό χρόνο διαδικασίες νανοκλίμακας σε βιολογικά κύτταρα» είπε στο physicsworld.com. «Πιθανόν να μπορούμε να τη χρησιμοποιούμε επίσης για να παρακολουθούμε και να ελέγχουμε απευθείας βιοχημικές αντιδράσεις στα εν λόγω κύτταρα. Συνδυάζοντας δε το νανοθερμόμετρό μας με τεχνικές όπως η διφωτονική μικροσκοπία, ίσως κατορθώσουμε να εντοπίζουμε την τοπική δραστηριότητα του όγκου in vivo, αφού θα έχουμε την ικανότητα να χαρτογραφούμε τη θερμογένεση σε μονοκυτταρικό επίπεδο». Η θερμογένεση, ο τρόπος δηλαδή με τον οποίο παράγεται η θερμότητα σε έμβιους οργανισμούς, διαφέρει μεταξύ καρκινικών και υγιών κυττάρων και αυτή η διαφορά αποτελεί χαρακτηριστικό γνώρισμα ενός όγκου.
Η έρευνα έχει δημοσιευθεί στο περιοδικό Nature
Πηγή: Physics World
Σε μια άλλη σειρά πειραμάτων, ο Lukin και οι συνεργάτες του συνδύασαν το θερμόμετρο νανοδιαμαντιών με νανοσωματίδια χρυσού που είχαν διεγερθεί με φως λέιζερ και, ως εκ τούτου, συμπεριφέρονταν ως τοπικές πηγές θερμότητας. Με αυτή την τεχνική, η ομάδα κατάφερε όχι μόνο να επιβλέπει αλλά και να ελέγχει τη θερμοκρασία ενός βιολογικού κυττάρου – σε μία συγκεκριμένη περίπτωση, μίας μεμονωμένης ινοβλάστης εμβρύου. Η θερμότητα που παρήγαγαν τα νανοσωματίδια χρυσού μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την καταστροφή του κυττάρου, διαπίστωσαν οι ερευνητές. Μάλιστα, υπολόγισαν επιτυχώς και επακριβώς την απαιτούμενη ποσότητα θερμότητας για να το κάνουν. «Πιστεύουμε πως ο συνδυασμός μιας τέτοιας υπερθερμικής θεραπείας και του νανοαισθητήρα θερμοκρασίας μπορεί να αποτελέσει ισχυρό εργαλείο για την επιλεκτική αναγνώριση και νέκρωση κυττάρων όγκων, για παράδειγμα, χωρίς να προκαλείται βλάβη στον περιβάλλοντα υγιή ιστό» αναφέρει ο Georg Kucsko, μέλος της ομάδας.
«Αν βελτιώσουμε περαιτέρω την ευαισθησία της εφεύρεσής μας, θα μπορούμε να τη χρησιμοποιούμε για να παρακολουθούμε σε πραγματικό χρόνο διαδικασίες νανοκλίμακας σε βιολογικά κύτταρα» είπε στο physicsworld.com. «Πιθανόν να μπορούμε να τη χρησιμοποιούμε επίσης για να παρακολουθούμε και να ελέγχουμε απευθείας βιοχημικές αντιδράσεις στα εν λόγω κύτταρα. Συνδυάζοντας δε το νανοθερμόμετρό μας με τεχνικές όπως η διφωτονική μικροσκοπία, ίσως κατορθώσουμε να εντοπίζουμε την τοπική δραστηριότητα του όγκου in vivo, αφού θα έχουμε την ικανότητα να χαρτογραφούμε τη θερμογένεση σε μονοκυτταρικό επίπεδο». Η θερμογένεση, ο τρόπος δηλαδή με τον οποίο παράγεται η θερμότητα σε έμβιους οργανισμούς, διαφέρει μεταξύ καρκινικών και υγιών κυττάρων και αυτή η διαφορά αποτελεί χαρακτηριστικό γνώρισμα ενός όγκου.
Η έρευνα έχει δημοσιευθεί στο περιοδικό Nature
Πηγή: Physics World
RSS Feed
