Группа ученых из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы разработала нанодатчики, способные прилипать к поверхности живых клеток и передавать информацию об их теплофизических свойствах, при этом не повреждая их. Научная статья опубликована в журнале Small, кратко о ней рассказывается в пресс-релизе, опубликованном на сайте университета.

Знание теплофизических свойств живых клеток имеет важное значение для использования в различных областях биологии и техники, например в термографии, для обнаружения и лечения рака или при оценке здоровья и жизнеспособности клеток. Однако, при создании устройств, способных определять такие параметры, разработчики сталкиваются с двумя проблемами — клетки имеют малые размеры и обладают изменяющимися неровными формами. Кроме того, велик риск повредить оболочку клетки при измерениях. Теперь же исследователи смогли обойти все эти проблемы и создать такое устройство.

Микрофотография раковой клетки, покрытой нанодатчиком

Сам датчик состоит из гибкой наномембраны, толщиной 40 нанометров, на основе нитрида галлия (GaN), которая способна плотно прилегать к клеточной оболочке и обеспечивать хороший тепловой контакт. GaN был выбран из-за надежности, химической стабильности и биосовместимости. Мембрана облучается монохроматическими импульсами гелиево-кадмиевого лазера, работающего в ультрафиолетовом диапазоне. Лазерный импульс нагревает мембрану и вызывает фотолюминесценцию, при этом возникает излучение света с частотой, зависящей от температуры мембраны. Эта температура, в свою очередь, зависит от теплофизических свойств клетки — теплопроводности и температуропроводности, которые можно определить. Пространственная точность методики определяется шириной пятна сфокусированного лазерного импульса. Между наномембраной и клеткой вставляется тонкий диск из золота (с диаметром 2,35 микрометров и толщиной 250 нанометров), который поглощает все переданное лазерное излучение, позволяя обеспечить нагрев мембраны и передачу тепла клетке без повреждения ее УФ-излучением.

Устройство наносенсора и схема определения теплофизических свойств клетки. Во врезке показаны процессы, идущие при воздействии на мембрану лазерного импульса (толстая черная стрелка), возникающего спонтанного светового излучения (синие стрелки) и диффузии тепла сквозь клетку (тонкие черные стрелки)

Исследователи применили созданный датчик для изучения свойств двух типов раковых клеток — рака молочной железы и рака шейки матки. Выяснилось, что измеренные теплофизические свойства клеток различаются, причем не только в случае различных типов рака, но и в случае различных подтипов одного и того же вида рака (дуктальный и люминальный рак молочной железы). Наблюдалась корреляция между инвазивностью раковых клеток (их способностью распространяться в организме) и их теплофизическими свойствами. Все это указывает на возможность применения данной разработки в медицине при диагностике рака, кроме того, датчик с успехом использовался для определения теплопроводящих свойств стекол и полимеров.

Экспериментальное определение теплофизических свойств раковых клеток. (а) Изображение мембраны из GaN с прикрепленным микродиском из Au, полученное на оптическом микроскопе. (b) Изображение мембраны из GaN с прикрепленным микродиском из Au, полученное методом атомно-силовой микроскопии. (c) Профиль высоты датчика. (d) Процесс переноса датчика на живые клетки при помощи вольфрамовой иглы. e) Микрофотография раковой клетки (зеленая), покрытая наномембраной (пурпурный). Изображение в ложных цветах, полученное на растровом электронном микроскопе. f) Полученные экспериментальные данные по фотолюминесцентному излучению для разных групп раковых клеток.

   
Ранее мы рассказывали о других новых методах исследования живых клеток — так например ученые впервые получили термальное изображение единичной клетки, смогли увидеть клетки в 3D без электронного микроскопа, а на днях появилось описание метода, позволяющего визуализировать структуры, формирующие синапс, с помощью обычного светового микроскопа.