Что такое нанотермометрия и где она используется

Нанотермометрия позволяет измерить температуру на нано- и микромасштабе. Она применяется в том числе и для измерения локальной температуры в живых клетках.

Следить за температурой в биологических объектах в реальном времени необходимо, чтобы не допустить нежелательного перегрева клеток, в том числе во время доставки биоактивных соединений из светочувствительных носителей при облучении их светом.

«Если мы говорим о терапевтических целях и локальном лечении, то в этих случаях часто используется лазерное излучение. Но оно очень сильно нагревает клетки и ткани. А их перегрев, в свою очередь, может привести к нежелательным побочным эффектам. Например, он может изменить механизм смерти клеток, повлиять на их деление, экспрессию генов, факторы роста. Если мы будем знать, как при термическом воздействии меняется температура, то это может предотвратить нежелательные явления», — поясняет одна из авторов работы, аспирантка Нового физтеха ИТМО Елена Герасимова.

Как измерить температуру внутри клетки

Чтобы измерить температуру внутри клетки и проверить, можно ли совместить термометрию и доставку биоактивных соединений, ученые разработали мультифункциональную платформу.

Она имеет вид полых капсул. По словам авторов работы, технология изготовления таких объектов довольна проста. Сначала создается ядро на основе карбоната кальция, а затем оно покрывается слоями полиэлектролитов. После этого ядро растворяется этилендиаминтетрауксусной кислотой и внутри получается полая структура. Во время синтеза различные вещества можно загружать как в полость капсулы, так и в ее оболочку.

Также исследователи модифицировали полые капсулы золотыми наночастицами и добавили наноалмазы с азото-замещенными вакансиями. По словам Елены Герасимовой, наноалмазы обеспечивают высокоточное измерение температуры за счет своих квантово-механических и спиновых свойств.

Затем с помощью сдвига оптического детектирования магнитного резонанса (ОДМР) ученые измерили температуру разрушения капсул и локальную температуру в клетках. Исследователи также варьировали концентрацию и расположение золотых наночастиц в носителях. Это позволило контролировать, какую мощность лазера нужно приложить для разрушения капсул. Эти данные в будущем помогут минимизировать пагубное влияние лазерного излучения на окружающие клетки.

«При увеличении концентрации золота в капсуле на разрушение носителя требуется меньшая мощность лазерного излучения. Таким образом, мы можем сократить время воздействия и минимизировать негативное влияние», — объясняет соавтор работы, аспирант Нового физтеха ИТМО Виталий Ярошенко.

Температура разрушения капсул составила 128 °C, точность полученных данных оценивается в 1,12 °C.

«Для нанотермометрических целей это довольно хороший результат. Со стороны можно подумать, что один градус — существенная погрешность, но остальные методы термометрии не обеспечивают такую точность и часто зависят от окружающей среды. Наноалмазы в данном случае показывают полную стабильность измерения температуры как в клетках, так и вне их», — говорит Елена Герасимова.

Одновременно с термометрией ученым удалось провести доставку биоактивного вещества (в данном случае использоваться краситель DAPI). При успешном разрушении носителя DAPI вытекает из него и окрашивает ядро клетки. Исследование проводилось на клетках меланомы кожи.

Ученые также доказали, что разработанная система биосовместима и не токсична. В перспективе такие многофункциональные капсулы могут применяться для целевой доставки лекарств. Этот метод считается перспективным в лечении рака, поскольку позволяет точечно доставить препарат в поврежденную область, не затрагивая при этом здоровые клетки и ткани. А одновременный мониторинг температуры поможет избежать побочных эффектов, связанных с воздействием лазерного излучения и перегревом.