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杀死癌细胞的新方法来了!金刚石的纳米级传感器或可催生新的热疗法

发表时间:2021-02-17 13:39:00  来源:野望文存  浏览:次   【】【】【


近日,来自大阪大学、昆士兰大学和新加坡国立大学工程学院的一组科学家利用涂有放热聚合物的微小纳米金刚石来探测细胞的热特性,此纳米尺寸的传感器提供了关于热量如何在活细胞内外扩散的有效数据。


实验发现,当用激光照射时,这些传感器可以起到加热器和温度计的双重作用,从而计算电池内部的热导率。


令人喜闻乐见的是,这项实验可能会催生一套新的热疗法来杀死细菌或癌细胞。


新技术可测活细胞内热导率


内热是哺乳动物的显著特征,也存在于鸟类、鱼类、昆虫甚至植物身上。它的产生可以追溯到远古的恐龙身上。


研究者在几个世纪前就开始了对昆虫体内热量的研究。尽管有着悠久的历史,但对生物体和细胞中热量的产生与控制的认识仍不够完整。


细胞是所有生物体的基本单位,但一些物理性质难以在体内研究。例如,一个细胞的热导率,以及在一边热而另一边冷的情况下,热量流过物体的速率测算。


而这些数据恰恰是开发靶向癌细胞热疗法与解答细胞运作问题的重要参考量。


图丨纳米金刚石量子传感器的结构与热原聚合物涂层的说明,以及它如何作为一个混合纳米加热器与温度计来进行运作;(c) 纳米热导率混合传感器的工作原理。在热导率高的介质中,金刚石传感器的温度上升程度是适中的,因为热容易扩散出去。相反,在低导热介质中,温度上升明显较大。细胞内的热导率可以通过测量细胞内混合传感器的温度变化来确定


目前我们所知,热量来源于细胞内的生化源,流经细胞,最终使全身温度升高。反过来看,体温也是控制和调节生物体内酶活性的一个重要因素。


因此,建立一个可以同时观察热源处生物化学过程以及原位热流动态的管理模型至关重要。经过研究发现,发光纳米温度学有助于此目标的实现,因为它能够以亚细胞分辨率显示细胞内的温度变化。


图丨混合传感器的电子显微镜图像;混合传感器在空气、水、油和电池内部观察到的温度升高,(b) 带有混合传感器的 HeLa 细胞的显微图像


基于以上的研究成果,研究人员已经开发出一种新的技术,可以测定活细胞内部的热导率,空间分辨率约为 200 纳米。他们制造了一种微小的钻石,上面涂有一种聚合物,即聚多巴胺。当激光照射时,它既能发出荧光,也能发出热量。


实验表明,这种颗粒不具备毒性,因此可用于活细胞。当进入液体或细胞时,热量会提升纳米金刚石的温度。在热导率较高的介质中,纳米金刚石由于热量迅速逸出而没有变得很热,但在热导率较低的环境中,纳米金刚石则会变得很热。


最关键的是,此纳米金刚石发射光的特性取决于温度的变化,因而研究小组可以很方便的计算出从传感器到周围环境的热流速率。


金刚石热量传感器能够克服不可重复性难题


以往来看,荧光纳米金刚石(FND)和金纳米棒(GNR)可以结合用于纳米温度计与纳米加热器的制作。


然而,这种方法有一些限制:FND/GNR 的化学计量比很难控制,而且 GNR 容易受热变形,这使得定量和进行可重复性实验变得困难。


现在,研究人员制作的金刚石热量传感器可以克服这些难题。


这是一种利用 FND 和聚多巴胺(PDA)制成的纳米复合物(PDA-FND)。在碱性条件下,多巴胺分子聚合在无机材料表面形成 PDA 层。


PDA 层性能优良,具有很高的光热转换效率,一般来说,PDA 包覆的纳米颗粒(例如金、磁性和二氧化硅纳米颗粒)已被用于多功能热疗应用,特别是癌症的治疗。


在此次研究中,科学家们探知了 PDA-FNDs 的物理性质表征,研究了它们对热释放的影响,并以亚微米的空间分辨率测量了两个细胞系活单细胞内的热导率。


图丨(A)PDA-FND 的示意图。FND 起着发光纳米温度计的作用,而 PDA 则以光依赖的方式释放热量;(B)用不同浓度的盐酸多巴胺溶液制备的 PDA-FNDs


尽管主要热源是 PDA 外壳的吸收,但 PDA-FND 复合材料的金刚石芯或表面仍有小的加热,热导率的测量值基本上不会受到金刚石相关热源的影响。


为癌症等疾病开启新的诊疗技术


上述关于金刚石纳米传感器技术的研究成果已经以论文的形式发表在了《科学进步》杂志上。


其文章作者之一 Taras Plakhotnik 表示,研究发现,混合纳米传感器测得的细胞中的热扩散速率比纯水慢数倍,这一令人着迷的结果仍有待于全面的理论解释。


图丨氮化镓纳米膜(GaN-NM)附着在电池上。当脉冲激光被引导到纳米膜上时,热量传递到细胞中。通过监测,研究人员可以计算出细胞的热传输特性(来源:KAUST Rami ElAfandy)


另一位作者 Madoka Suzuki 说:“除了改善癌症的热疗法外,我们认为这项研究的潜在应用将有助于更好地了解代谢紊乱引发的肥胖等症状。” 他认为,该技术也可用于基础细胞研究,实时监测生化反应。


相关的研究成果还有阿拉伯国王阿卜杜拉科技大学(KAUST)研发的可以贴在活细胞表面的微小平板传感器。Boon Ooi 教授和他的博士生 Rami Elafandy 及同事们用 40 纳米厚的氮化镓纳米膜开发了可以识别不同类型癌细胞传感器。


他们将传感器连接到细胞表面后,应用脉冲紫外激光束加热纳米膜,并凭借纳米膜温度的频率发出光致发光。


而这个温度取决于热量传递到细胞中的程度。通过测量光致发光的频率,研究人员不仅可以计算出细胞的热导率,还可以计算出热扩散率。


这种传感器提供了细胞表面传热的详细测量,并对开启新的诊断技术也很有帮助。


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参考:
https://advances.sciencemag.org/content/7/3/eabd7888
https://phys.org/news/2021-01-nanodiamond-sensors-sources-thermometers.html
https://phys.org/news/2021-01-nanodiamond-sensors-sources-thermometers.html

责任编辑:蔡学森