Предложен новый оптический подход к тепловой стимуляции отдельной клетки
Температурные колебания, равно как и изменения концентраций биологически активных соединений или рельеф подложки, могут влиять на активность клеток. Например, длинные отростки нервных клеток растут быстрее в соответствии с локальным температурным градиентом, запущенным тепловым импульсом мышечных сокращений. Дальнейшее изучение внутриклеточной термодинамики нуждается в приборной революции, позволяющей локально контролировать термогенез на микро- и даже наноуровне, настраивать рассеивание тепла и преобразование тепловой энергии.
Сейчас разработка инструментов для задач внутриклеточной термодинамики базируется на идее наногибридов нагревателя и термометра — то есть одна конструкция и нагревает, и измеряет температуру. Однако такой подход сталкивается с рядом проблем. Среди них — сложность настройки свойств наногибридных частиц, а потому они будут отличаться друг от друга. В итоге, чтобы получить достоверные данные, на один эксперимент нужно потратить очень много образцов, но и это не гарантирует хорошую воспроизводимость в последующих исследованиях. Также многие из уже известных систем очень чувствительны к внешней среде, например кислотности — а она может значительно отличаться даже внутри одной клетки.
В своей новой работе российско-швейцарская группа предложила конструкцию наноразмерного нагревателя-термометра, свободную от перечисленных выше недостатков. Обе функции в наночастице выполняет один материал — поликристаллический алмаз, содержащий центры окраски в виде кремниевых вакансий. Благодаря наличию на межкристаллитных границах аморфного углерода, такая частица является эффективным поглотителем света и становится локальным источником тепла при освещении лазером. Центры окраски при этом служат термометром: по мере нагревания их спектральные характеристики меняются.
Разработку авторы проверили на культурах раковых клеток HeLa и нейронов, выделенных из гиппокампа мыши. В эксперименте они решили выяснить температурную зависимость динамики ионов кальция в цитоплазме — для этого применяли чувствительный к кальцию флуоресцентный краситель. Так, было показано, что локальное нагревание на 11–12°С относительно температуры окружающей среды рядом с отдельными клетками действительно меняет концентрацию металла внутри них. В случае HeLa наблюдалось длительное (порядка 30 секунд) трехкратное увеличение флуоресценции красителя (а значит, и ионов кальция), а в случае нейронов — примерно на 30% и длительностью около 0,4 миллисекунд.
Таким образом, ученые смогли продемонстрировать состоятельность нового, полностью оптического метода, позволяющего контролировать внутриклеточную температуру на наноуровне. Подход может внести большой вклад в разработку протоколов термостимуляции живой клетки и в изучение локальных явлений теплопередачи.
