Ingénierie cellulaire thermodynamique :La création d'un minuscule point de chaleur permet de réguler les fonctions cellulaires. Crédit :Université de Kanazawa
Des chercheurs de l'Université de Kanazawa rapportent dans ACS Nano le développement d'une nanoparticule qui agit comme un élément chauffant et un thermomètre. L'insertion de la nanoparticule dans les cellules vivantes crée un point de chaleur qui, en l'allumant et l'éteignant, permet la modulation contrôlée des activités cellulaires locales.
Pouvoir chauffer des régions de taille nanométrique dans les tissus biologiques est la clé de plusieurs applications biomédicales. En effet, de nombreux processus biologiques sont sensibles à la température, et la capacité de modifier localement la température fournit un moyen de manipuler l'activité cellulaire. Un objectif notable est la destruction des cellules cancéreuses en les chauffant. Outre la nécessité d'un mécanisme de chauffage local dans les tissus, il est également important de pouvoir mesurer instantanément la température générée. Satoshi Arai de l'Université de Kanazawa et ses collègues ont maintenant conçu une nanoparticule qui est à la fois un nanochauffeur et un nanothermomètre. Ils ont montré avec succès que l'insertion d'un seul point de chaleur contrôlable dans les tissus peut être très efficace pour modifier la fonction cellulaire.
La nanoparticule, appelée "nanoHT" par les scientifiques - une abréviation de "nanoheater-thermometer" - est essentiellement une matrice polymère incorporant une molécule de colorant (appelée EuDT) utilisée pour détecter la température, et une autre molécule de colorant (appelée V-Nc) pour libérer Chauffer. Ce dernier se produit par la conversion de la lumière en énergie thermique (l'effet photothermique, également exploité dans les cellules solaires) :faire briller un laser proche infrarouge (avec une longueur d'onde de 808 nanomètres) sur V-Nc entraîne un chauffage rapide, avec une augmentation plus forte en température pour une puissance laser plus élevée.
La détection de température est basée sur l'effet de fluorescence thermique d'EuDT. Lorsqu'elle est irradiée avec de la lumière d'une longueur d'onde, la molécule émet de la lumière à une autre longueur d'onde, la fluorescence. Plus la température est élevée, moins la fluorescence devient intense. Cette relation inverse peut être utilisée pour mesurer la température. Arai et ses collègues ont testé les performances du nanoHT en tant que thermomètre et ont établi qu'il peut déterminer des températures avec une résolution de 0,8 degré Celsius et moins.
Système microscopique pour nanochauffage. A) Images schématiques et microscopiques de nanoheater (nanoHT) (microscopie électronique à transmission). B) Un système pour réchauffer une région localisée au niveau cellulaire unique (panneau supérieur). Un seul point de nanoHT était situé dans une seule cellule (panneau inférieur gauche). Le gradient de température à l'échelle microscopique a été généré au niveau subcellulaire (panneau inférieur droit). Crédit :Université de Kanazawa
Les chercheurs ont ensuite réalisé des expériences avec un type de cellules humaines appelées cellules HeLa. Ils ont examiné l'effet du chauffage par nanoHT et ont découvert qu'à une augmentation de température d'environ 11,4 degrés Celsius, les cellules HeLa chauffées mouraient après seulement quelques secondes. Cette découverte suggère que la nanoHT pourrait être utilisée pour induire la mort cellulaire dans les cellules cancéreuses.
Arai et ses collègues ont également étudié comment la nanoHT peut être utilisée pour affecter le comportement des muscles. Ils ont introduit la nanoparticule dans le myotube, un type de fibre présent dans le tissu musculaire. En chauffant le myotube d'environ 10,5 degrés Celsius, le tissu musculaire s'est contracté. La procédure a fonctionné de manière réversible; laisser le myotube refroidir à nouveau a entraîné une relaxation musculaire.
Les travaux d'Arai et de ses collègues montrent que le chauffage local à une échelle subcellulaire au moyen de nanoHT permet la manipulation contrôlée de l'activité d'une seule cellule. En ce qui concerne les applications, les scientifiques pensent que "l'application ciblée de nanoHT a une gamme diversifiée et polyvalente de capacités pour réguler les activités cellulaires qui faciliteraient le développement de l'ingénierie cellulaire thermodynamique."
Une nanoparticule combinant chauffage photothermique et thermométrie à fluorescence fonctionne comme un point de chaleur localisé, et est capable d'induire la mort cellulaire ou la contraction musculaire. Crédit :Université de Kanazawa
Fluorescence
La fluorescence fait référence à l'émission de lumière par une substance après laquelle elle a absorbé de la lumière (ou un autre type de rayonnement électromagnétique). Typiquement, la lumière émise a une longueur d'onde plus longue, et donc une énergie photonique plus faible, que le rayonnement absorbé. Un cas bien connu de fluorescence se produit lorsque le rayonnement absorbé se situe dans la région ultraviolette du spectre, invisible à l'œil humain, tandis que la lumière émise se situe dans la région visible.
La thermométrie fluorescente est une technique de mesure des températures grâce à l'utilisation de molécules de colorant fluorescent, dont l'intensité de fluorescence est fortement fonction de la température. Les molécules de colorant sont insérées dans un matériau d'intérêt; une connaissance détaillée de l'intensité de fluorescence par rapport à la dépendance à la température permet de déduire la température du matériau. (Les molécules de colorant sont excitées pour devenir fluorescentes par la lumière incidente ; son intensité fournit une mesure de la température locale.)
Satoshi Arai de l'Université de Kanazawa et ses collègues ont utilisé des molécules de colorant fluorescent pour développer la nanoHT, une nanoparticule agissant à la fois comme un réchauffeur et un thermomètre pour les applications nano-bio. Le nanothermomètre intracellulaire a une polyvalence sans précédent
