La température est l'un des principaux indicateurs de l'état du système biologique. Si une personne développe une infection, sa température corporelle augmente (généralement, mais pas toujours), ce qui est un signe de la réponse du système immunitaire à la menace. En d'autres termes, la température peut être utilisée pour déterminer l'état approximatif du corps. Le problème est qu'une personne est grande (littéralement), mais, par exemple, les nématodes ne mesurent qu'environ 1 mm de long. Il était extrêmement difficile de mesurer la température d'un si petit organisme, mais des scientifiques de l'Université d'Osaka (Japon) ont développé une méthodologie pour résoudre ce problème. Quels moyens ont été utilisés pour mettre en œuvre le nanothermomètre, quelles expériences pratiques ont montré et où peut-on utiliser ce développement? Nous trouverons des réponses à ces questions dans le rapport des scientifiques. Aller.
Base de recherche
La température corporelle d'un organisme vivant varie en fonction du degré d'influence des facteurs internes et externes. Nous sommes habitués au fait que la température ambiante affecte directement la température des personnes à sang froid, par conséquent, ses valeurs changent avec une régularité enviable. Cependant, même chez les animaux à sang chaud dans des conditions physiologiques normales, des fluctuations de température sont observées, qui peuvent être associées à la thermorégulation homéostatique et au métabolisme énergétique.
En d'autres termes, la blague est géniale ici: "Je ne déconne pas, je suis une personne très occupée au niveau cellulaire." En mesurant avec précision la température et sa dynamique à une échelle submicronique, de nombreuses informations peuvent être obtenues concernant l'activité cellulaire et moléculaire. Le problème est qu'à mesure que l'objet de la mesure diminue, la complexité de sa conduite augmente (il est difficile de mettre un thermomètre ordinaire d'une pharmacie dans un nématode).
Les auteurs de l'étude notent que les thermomètres électriques conventionnels n'ont pas de résolution submicronique et que la thermographie dans le proche infrarouge aide généralement à déterminer la température de surface des échantillons biologiques, mais pas la température interne.
Bien entendu, il existe déjà des nanothermomètres électroluminescents (par exemple des sondes moléculaires thermosensibles) capables de surmonter cette limitation. Mais cette technique présente également des inconvénients. Le principal est la stabilité à long terme, ou plutôt son absence. De tels appareils ne peuvent pas mesurer avec précision les changements de température qui prennent beaucoup de temps (disons quelques heures). Sans parler de l'effet toxique sur l'échantillon d'un tel thermomètre.
Dans ce travail, les scientifiques décrivent le concept d'un thermomètre quantique à nanodiamants (ND à partir de nanodiamants ), qui est très précis, robuste et peu toxique. Le principe de son fonctionnement est le suivant: le capteur lit la température comme un décalage de fréquence de la résonance magnétique optiquement détectable (ODMR derésonance magnétique détectée optiquement ) des centres défectueux des lacunes d'azote (NV de la vacance d' azote ), qui résulte principalement de la dilatation thermique du réseau. Le noyau du capteur NV est profondément ancré dans le réseau de diamant et est immunisé contre divers facteurs environnementaux biologiques. L'introduction de ce capteur quantique dans des organismes plus complexes permet de lire en temps réel leur activité thermique sur un site spécifique. Mais le processus de mise en œuvre d'une telle technique est semé d'embûches.
Nématodes (ascaris) de l'espèce Caenorhabditis elegans .
Organismes modèles multicellulaires tels que les vers Caenorhabditis elegans, ont besoin d'une chambre spéciale pouvant accueillir un corps de la taille d'un millimètre, et les échantillons eux-mêmes doivent être analysés rapidement pour maintenir leur état physiologique. Les thermomètres quantiques ND se déplacent beaucoup plus rapidement que dans les cellules cultivées, même si le corps est déshydraté, ce qui nécessite un algorithme de suivi rapide des particules. De plus, le mouvement de position du ND et la structure complexe du corps provoquent des fluctuations importantes de l'intensité de fluorescence détectée, ce qui est susceptible de provoquer des artefacts de mesure de température. La solution à ces problèmes à ce stade de l'étude est liée à l'adaptation du dispositif aux caractéristiques individuelles de l'échantillon analysé. La question de la polyvalence et de la facilité de mise en place du futur nanothermomètre devrait être prise en compte dans les travaux futurs,dans l'intervalle, l'attention a été accordée au concept lui-même et aux principes de base du travail.
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La base du nanothermomètre est un microscope confocal à fluorescence équipé d'une unité d'irradiation micro-ondes (1A).
Image # 1 L'
ODMR des lacunes d'azote peut être mesurée comme une diminution de l'intensité de la fluorescence induite par le laser lorsque l'excitation micro-ondes par résonance de spin est appliquée, car l'excitation de spin active la voie de relaxation non fluorescente de l'état excité à l'état fondamental ( 1B ).
La chambre d'échantillonnage est un plat de fond en verre jetable intégré dans l'antenne qui fournit un grand accès optique (12 mm de diamètre) et une facilité d'utilisation ( 1C ) adaptée aux échantillons délicats tels que les cellules souches. Temps depuis la capture du verCaenorhabditis elegans est seulement 15 minutes avant la mesure réelle. Cela aide à garder le ver en vie et fournit plus de données sur sa santé.
En outre, le système intègre efficacement un suivi rapide des particules et une estimation de température en temps réel de haute précision à partir de l'ODMR de décalage central NV.
Dans le suivi des particules, le système mesure l'intensité de fluorescence ND le long des axes xyz du microscope et se concentre sur la fluorescence maximale correspondante toutes les 4 secondes (un intervalle de suivi plus court est possible) pendant lequel la température est estimée avec un temps d'échantillonnage de 0,5 à 1,0 seconde. ( 2A ).
Image n ° 2
Il existe plusieurs méthodes de thermométrie quantique, mais dans ce travail la méthode des mesures en quatre points ODMR a été utilisée. Cette méthode suppose que le nombre de photons détectés aux quatre fréquences sélectionnées est mis à l'échelle linéairement en fonction des changements d'intensité de fluorescence détectée.
Cependant, il a été constaté que chaque photon suivant présente une différence de sensibilité à la lumière d'environ ∼0,5%, ce qui crée en fait des artefacts importants dans l'estimation du décalage de fréquence (c'est-à-dire ∼300 kHz, ce qui correspond à plusieurs degrés Celsius), en particulier dans le mode à photons faibles.
Ces artefacts sont très probablement dus à une asymétrie dépendant de la puissance optique dans le spectre ODMR. Pour mesurer avec précision la température de systèmes dynamiques optiques complexes (c'est-à-dire des systèmes biologiques), il est nécessaire de se débarrasser de ces artefacts. Par conséquent, un filtre de correction d'erreur a été ajouté à la méthode de mesure en quatre points.
Pour évaluer le fonctionnement du système, couplé à une correction d'erreur, des mesures en temps réel de la température ND ont été réalisées lors d'événements thermiques par étapes. Des changements brusques de température n'ont pas pu être utilisés, car des changements brusques de température provoquent une grande défocalisation des taches focales et des fluctuations associées de l'intensité de fluorescence.
En 2B montre les profils temporels du nombre total de photons (I tot) et estimation de la température ND (∆T NV ) lorsque la température de l'échantillon (T S ) change de 44,3 ° → 30,4 ° → 44,3 ° avec un pas de ∼2,8 °. Le système délivre avec précision ∆T NV , correspondant à T S , tandis que la position de mise au point s'est déplacée de manière significative, en particulier le long de l'axe z sur une distance de plus de 30 μm ( 2C ).
Avec un pas de 3 °, un décalage de position de 6 μm dans l'axe z apparaît dans les 3-4 minutes, mais la vitesse de suivi est suffisamment élevée pour suivre la dynamique de 105 nm / s pendant 96 minutes ( 2C ).
De plus, ∆T NV démontre clairement une anticorrélation avec I tot... Une étude statistique de ce type de dépendance à la température détermine les valeurs moyennes pour SD: I tot -1 dI tot / dT = -3,9 ± 0,7% / ° et dD / dT = - 65,4 ± 5,5 kHz / ° ( 2D ). La précision de mesure de la température est de ± 0,29 ° et <0,6 ° C, respectivement, ce qui donne une sensibilité de 1,8 ° C / √Hz.
Après avoir obtenu une thermométrie en temps réel fiable et précise dans le cadre de la phase de développement, un test de surveillance de la température locale a été effectué sur des vers vivants.
Image №3 La
photo 3A montre des vers anesthésiés ND à l'intérieur, placés à proximité d'antennes micro-ondes. Ces ND sont bien dispersés dans l'eau en raison de la fonctionnalisation de surface du polyglycérol (PG depolyglycérol ) et sont introduits par micro-injection dans les gonades (gonades du ver expérimental).
Le graphique 3B montre le spectre ODMR d'un seul ND (marqué d'une flèche en 3A ). 3C montre les profils temporels de I tot et ∆T NV sur une période de 1 heure lorsque la température T S change .
Tout d'abord, T obj a été mesuré à 33,2 ° C, après 6 minutes, une diminution à 25,3 ° C a été effectuée. En conséquence, Tobj a atteint 28,6 ° C en 35,2 minutes. ∆T NV a montré un changement de température exact entre deux états stationnaires: 33,2 et 28,6 ° C.
L'affichage de la dynamique réelle de la température à l'intérieur des vers entre ces deux états stationnaires est affiché en raison du fait que ∆T NV est toujours en retard sur T S et montre une réponse légèrement sous-estimée en raison de la capacité thermique finie de l'objectif du microscope et de l'environnement. I tot montre également les changements graduels d'intensité de fluorescence causés par la température.
Le suivi des particules était également satisfaisant ( 3C ). En 0 à 15 minutes, les photons comptés montrent des sursauts fréquents en raison des fluctuations de position du ND à environ 400 nm pendant plusieurs secondes.
Les résultats des tests indiquent clairement la grande précision de la mesure de la température en temps réel à l'intérieur du système biologique à l'échelle nanométrique. En outre, il a été décidé de mener des tests supplémentaires, avant lesquels les vers expérimentaux ont subi un traitement pharmacologique avec C 10 H 5 F 3 N 4 O (FCCP à partir de cyanure de carbonyle-4- (trifluorométhoxy) phénylhydrazone ), provoquant une thermogenèse immobile (en gros, une augmentation de la température due à une augmentation métabolisme et sans activité musculaire supplémentaire).
Image №4 La
photo 4A montre des vers ND stimulés par le FCCP. Et le graphique 4B montre le profil temporel de ∆T NVND marqué d'une flèche sur les photos.
A la septième minute après le début de la mesure, la solution FCCP a été utilisée. À la 32e minute, ∆T NV commence à augmenter progressivement, et à la 48e minute, une augmentation supplémentaire encore plus importante est observée lorsque le niveau de changement de température augmente de 4 à 7 ° C. La fièvre a duré environ 80 minutes.
Pendant la stimulation, les ND sont déplacés lentement de quelques micromètres sur une heure, ce qui confirme les résultats d'expériences séparées dans lesquelles les ND ont été observés en continu au microscope.
Le groupe témoin de vers ( 4C et 4D ), qui n'ont pas été injectés de FCCP, a montré une réponse ∆T NV uniforme tout au long du test sans changements de température évidents.
Pour confirmer davantage que le FCCP induit effectivement une augmentation de la température corporelle chez les vers, la quantification des vers marqués à la ND a été réalisée à la fois dans les groupes témoins et de traitement ( 4E ). Le graphique indique clairement une augmentation de la température des vers du groupe expérimental par rapport au témoin.
Une autre expérience de contrôle, dans laquelle aucun tampon n'a été ajouté et le ∆T NV a été surveillé statiquement, montre que l'ajout du dopant fait fluctuer le ∆T NV à un certain niveau, soit en raison de changements de température, soit en raison d'artefacts de décalage ODMR. Cependant, l'observation d'un tel décalage est impossible avec l'ajout de FCCP, qui confirme en outre l'augmentation de la température due au FCCP dans le groupe expérimental de vers ( 4F).
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et des éléments supplémentaires .
Épilogue
Dans cette étude, les scientifiques ont pu développer une technique qui vous permet de mesurer avec précision la température à l'intérieur d'un système biologique à l'échelle nanométrique en temps réel. En termes exagérés, ils ont réussi à mesurer la température corporelle du ver Caenorhabditis elegans , qui mesure environ 1 mm de long.
Il est important de comprendre qu'il est beaucoup plus facile de mesurer quoi que ce soit dans un grand échantillon que dans un petit. Néanmoins, l'utilisation de nanodiamants injectés dans le corps des vers a permis de connaître la température corporelle du ver dans des conditions normales. Ces nanodiamants, pénétrant à l'intérieur du corps, commencent à se déplacer rapidement. Un algorithme spécialement développé et un microscope confocal à fluorescence ont permis de suivre et d'analyser leur mouvement. Les données obtenues ont permis de déterminer avec précision la température corporelle du ver et sa dynamique, même après l'introduction d'une substance spéciale qui a provoqué une augmentation de la température.
Ce travail montre non seulement que les technologies quantiques peuvent et doivent être appliquées en biologie, mais élargit également l'éventail des possibilités dans l'aspect du diagnostic de divers processus au niveau macro. Très souvent, l'état d'un système biologique dépend directement ou indirectement des processus qui se déroulent à l'intérieur des cellules, qui étaient auparavant extrêmement difficiles à mesurer en temps réel. Après avoir reçu plus d'informations sur les éléments constitutifs du système, vous pouvez mieux comprendre le système lui-même, ce qui, bien sûr, vous permettra d'influencer plus efficacement son fonctionnement.
Merci pour votre attention, restez curieux et passez un excellent week-end, les gars! :)
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