(a) Illustration de la structure d'un capteur quantique nanodiamant recouvert d'un polymère pyrogène, et comment il fonctionne en tant que nanochauffeur/thermomètre hybride. (b) Image au microscope électronique de capteurs hybrides. (c) Principe de fonctionnement du capteur hybride pour mesurer la conductivité thermique nanométrique. Dans un milieu à haute conductivité thermique, la montée en température du capteur diamant est modérée, car la chaleur se diffuse facilement. En revanche, dans un milieu à faible conductivité thermique, l'élévation de température est nettement plus importante. La conductivité thermique intracellulaire peut être déterminée en mesurant le changement de température des capteurs hybrides dans les cellules. Crédit :Université d'Osaka
Une équipe de scientifiques de l'Université d'Osaka, l'Université du Queensland et la Faculté d'ingénierie de l'Université nationale de Singapour ont utilisé de minuscules nanodiamants recouverts d'un polymère libérant de la chaleur pour sonder les propriétés thermiques des cellules. Lorsqu'il est irradié par la lumière d'un laser, les capteurs servaient à la fois de réchauffeurs et de thermomètres, permettant de calculer la conductivité thermique de l'intérieur d'une cellule. Ces travaux pourraient conduire à un nouvel ensemble de traitements à base de chaleur pour tuer les bactéries ou les cellules cancéreuses.
Même si la cellule est l'unité fondamentale de tous les organismes vivants, certaines propriétés physiques sont restées difficiles à étudier in vivo. Par exemple, la conductivité thermique d'une cellule, ainsi que la vitesse à laquelle la chaleur peut circuler à travers un objet si un côté est chaud tandis que l'autre est froid, resté mystérieux. Cette lacune dans nos connaissances est importante pour des applications telles que le développement de thérapies thermiques ciblant les cellules cancéreuses, et pour répondre à des questions fondamentales sur le fonctionnement des cellules.
Maintenant, l'équipe a développé une technique qui peut déterminer la conductivité thermique à l'intérieur des cellules vivantes avec une résolution spatiale d'environ 200 nm. Ils ont créé de minuscules diamants recouverts d'un polymère, polydopamine, qui émettent à la fois de la lumière fluorescente et de la chaleur lorsqu'elles sont éclairées par un laser. Des expériences ont montré que de telles particules ne sont pas toxiques et peuvent être utilisées dans des cellules vivantes. A l'intérieur d'un liquide ou d'une cellule, la chaleur élève la température du nanodiamant. Dans les milieux à haute conductivité thermique, le nanodiamant n'est pas devenu très chaud car la chaleur s'est échappée rapidement, mais dans un environnement de faible conductivité thermique, les nanodiamants sont devenus plus chauds. Surtout, les propriétés de la lumière émise dépendent de la température, ainsi, l'équipe de recherche a pu calculer le débit de chaleur du capteur vers l'environnement.
(a) Augmentations de température observées avec des capteurs hybrides dans l'air, l'eau, huile, et à l'intérieur de la cellule. Ces résultats sont cohérents avec l'idée que des augmentations de température plus élevées se produisent dans des solvants avec des conductivités thermiques plus faibles. Les valeurs de la littérature pour les conductivités thermiques de l'air, l'eau, et l'huile sont 0,026, 0,61, et 0,135 W/m*K, respectivement. (b) Image microscopique à fond clair d'une cellule HeLa avec un capteur hybride à l'intérieur. Crédit :Université d'Osaka
Avoir une bonne résolution spatiale a permis des mesures à différents endroits à l'intérieur des cellules. « Nous avons constaté que le taux de diffusion de la chaleur dans les cellules, mesurée par les nanocapteurs hybrides, était plusieurs fois plus lent que dans l'eau pure, un résultat fascinant qui attend toujours une explication théorique complète et dépendait de l'emplacement, ", dit l'auteur principal Taras Plakhotnik.
« En plus d'améliorer les traitements thermiques contre le cancer, nous pensons que les applications potentielles de ce travail permettront une meilleure compréhension des troubles métaboliques, comme l'obésité, " dit l'auteur principal Madoka Suzuki. Cet outil peut également être utilisé pour la recherche cellulaire fondamentale, par exemple, pour suivre les réactions biochimiques en temps réel.
L'article, "Mesures in situ de la conductivité thermique intracellulaire à l'aide de nanocapteurs hybrides en diamant à thermomètre chauffant, " est publié dans Avancées scientifiques .
