Pesquisadores desenvolvem uma nanopartícula que atua como aquecedor e termômetro

Engenharia de células termodinâmicas:A criação de um pequeno ponto de calor permite regular as funções celulares. Crédito:Universidade de Kanazawa

Pesquisadores da Universidade de Kanazawa relatam em ACS Nano o desenvolvimento de uma nanopartícula que atua como aquecedor e termômetro. A inserção da nanopartícula em células vivas resulta em um ponto de calor que, ao ligá-lo e desligá-lo, permite a modulação controlada das atividades celulares locais.
Ser capaz de aquecer regiões nanométricas em tecidos biológicos é fundamental para várias aplicações biomédicas. De fato, muitos processos biológicos são sensíveis à temperatura e a capacidade de modificar localmente a temperatura fornece uma maneira de manipular a atividade celular. Um propósito notável é a destruição de células cancerosas, aquecendo-as. Além da necessidade de um mecanismo de aquecimento local no tecido, também é importante poder medir instantaneamente a temperatura gerada. Satoshi Arai, da Universidade de Kanazawa, e colegas projetaram uma nanopartícula que é um nanoaquecedor e um nanotermômetro ao mesmo tempo. Eles mostraram com sucesso que a inserção de um único ponto de calor controlável no tecido pode ser muito eficaz na modificação da função celular.

A nanopartícula, chamada "nanoHT" pelos cientistas - uma abreviação de "nanoheater-termometer" - é essencialmente uma matriz de polímero que incorpora uma molécula de corante (chamada EuDT) usada para detectar a temperatura e outra molécula de corante (chamada V-Nc) para liberar aquecer. Este último acontece por meio da conversão da luz em energia térmica (o efeito fototérmico, também explorado em células solares):lançar um laser de infravermelho próximo (com comprimento de onda de 808 nanômetros) sobre V-Nc resulta em aquecimento rápido, com aumento mais forte na temperatura para maior potência do laser.

A detecção de temperatura é baseada no efeito de fluorescência térmica do EuDT. Quando irradiada com luz de um comprimento de onda, a molécula emite luz em outro comprimento de onda – fluorescência. Quanto maior a temperatura, menos intensa a fluorescência se torna. Esta relação inversa pode ser usada para medir a temperatura. Arai e colegas testaram o desempenho do nanoHT como termômetro e estabeleceram que ele pode determinar temperaturas com resolução de 0,8 graus Celsius ou menos.

Sistema microscópico para nanoaquecimento. A) Imagens esquemáticas e microscópicas do nanoaquecedor (nanoHT) (Microscopia eletrônica de transmissão). B) Um sistema para aquecer uma região localizada em nível de célula única (painel superior). Um único ponto de nanoHT foi localizado dentro de uma única célula (painel inferior esquerdo). O gradiente de temperatura em microescala foi gerado no nível subcelular (painel inferior direito). Crédito:Universidade de Kanazawa

Os pesquisadores então realizaram experimentos com um tipo de células humanas chamadas células HeLa. Eles analisaram o efeito do aquecimento através do nanoHT e descobriram que em um incremento de temperatura de cerca de 11,4 graus Celsius, as células HeLa aquecidas morreram após apenas alguns segundos. Esta descoberta sugere que o nanoHT pode ser usado para induzir a morte celular em células cancerosas.

Arai e colegas também estudaram como o nanoHT pode ser usado para afetar o comportamento dos músculos. Eles introduziram a nanopartícula no miotubo, um tipo de fibra presente no tecido muscular. Ao aquecer o miotubo em aproximadamente 10,5 graus Celsius, o tecido muscular se contraiu. O procedimento funcionou de forma reversível; deixar o miotubo esfriar novamente levou ao relaxamento muscular.

O trabalho de Arai e colegas mostra que o aquecimento local em escala subcelular por meio de nanoHT permite a manipulação controlada da atividade de uma única célula. Em relação às aplicações, os cientistas acreditam que “a aplicação direcionada do nanoHT possui uma gama diversificada e versátil de recursos para regular as atividades celulares que facilitariam o desenvolvimento da engenharia celular termodinâmica”.

Uma nanopartícula que combina aquecimento fototérmico e termometria de fluorescência funciona como um ponto de calor localizado e é capaz de induzir a morte celular ou a contração muscular. Crédito:Universidade de Kanazawa

Fluorescência

A fluorescência refere-se à emissão de luz por uma substância após a qual ela absorveu a luz (ou outro tipo de radiação eletromagnética). Normalmente, a luz emitida tem um comprimento de onda maior e, portanto, uma energia de fótons menor do que a radiação absorvida. Um caso bem conhecido de fluorescência acontece quando a radiação absorvida está na região ultravioleta do espectro, invisível ao olho humano, enquanto a luz emitida está na região visível.

A termometria fluorescente é uma técnica para medir temperaturas através do uso de moléculas de corante fluorescente, cuja intensidade de fluorescência é uma forte função da temperatura. As moléculas de corante são inseridas em um material de interesse; o conhecimento detalhado da intensidade de fluorescência versus dependência da temperatura permite inferir a temperatura do material. (As moléculas do corante são excitadas para fluorescer pela luz incidente; sua intensidade fornece uma medida da temperatura local.)

Satoshi Arai, da Universidade de Kanazawa, e colegas usaram moléculas de corante de fluorescência para desenvolver nanoHT, uma nanopartícula que atua como aquecedor e termômetro para aplicações nanobio. + Explorar mais