Forschung & Entwicklung

Optisches Nanothermometer für die Biomedizin

Mikrowellenanregung und Fluoreszenz von Nanodiamanten ermöglichten erstmals eine Temperaturmessung in höchster räumlicher Auflösung in einem lebenden Organismus.

Die genaue Messung der Temperatur in lebenden Organismen bei gleichzeitig höchster, räumlicher Auflösung ist sehr wichtig, um Stoffwechselprozesse genau untersuchen zu können. Allerdings war eine solche Messung bislang unmöglich, weil präzise und zuverlässige Nanothermometer oder Nanotemperatursonden fehlten. Das internationale Forscherteam um Professor Oliver Benson von der Humboldt-Universität zu Berlin und Professor Masazumi Fujiwara von der Osaka City University hat nun einen nur wenige Nanometer großen Quantensensor entwickelt und mit diesem Temperaturveränderungen in einem Fadenwurm messen können, dem eine pharmakologische Substanz verabreicht wurde.

Die Wissenschaftler verwendeten in ihrem Experiment kleine Diamanten mit Durchmessern von wenigen 10 Nanometern. Diese Nanodiamanten enthalten fluoreszierende Quantendefekte, die man unter einem optischen Mikroskop beobachten kann. Mittels eingestrahlter Mikrowellen lässt sich die Helligkeit der leuchtenden Quantendefekte verändern. Bei einer ganz bestimmten Mikrowellenfrequenz erscheinen die Defekte etwas dunkler. Diese Resonanzfrequenz hängt von der Temperatur ab. Die Forscher konnten nun die Verschiebung der Resonanzfrequenz sehr genau bestimmen und damit die Temperaturänderung am Ort der Nanodiamanten präzise bestimmen.

Die Nanodiamanten wurden in einen Fadenwurm (C. Elegans) eingebracht. C. Elegans ist ein sehr gut verstandenes Modellsystem und wird in vielen biophysikalischen und biochemischen Experimenten untersucht. Durch Gabe einer pharmakologischen Substanz konnten in einzelnen Zellen des Wurms die Mitochondrien zu erhöhter Aktivität angeregt werden. Dies zeigte sich als eine leichte lokale Temperaturerhöhung von wenigen Grad.

Die Forscherteams arbeiten nun daran, ihre Messmethode weiter zu verbessern und zu automatisieren, damit sie einfach in Standardmikroskopieaufbauten integriert werden kann. Die Resultate ebnen den Weg für vielfältige Anwendungen der neuartigen Quantensensorik in der biomedizinischen Forschung, beispielsweise für die Aufnahme hochauflösender Wärmebilder.

von mg

Originalveröffentlichung:
[ M. Fujiwara et al., Real-time nanodiamond thermometry probing in vivo thermogenic responses, Science Advances 11 Sep 2020, Vol. 6, no. 37, DOI: 10.1126/sciadv.aba9636]

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