蛍光性ナノダイヤモンドによる細胞内温度計測及び局所加熱プローブの開発とその応用

荧光纳米金刚石细胞内温度测量和局部加热探针的开发与应用

基本信息

批准号：
18J00287
负责人：
外間進悟
金额：
$ 5.99万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、細胞内の温度分布、および、細胞内のどの部位・オルガネラが温度を感知する役割を担うのかを明らかにすることである。前年度までに蛍光性ナノダイヤモンド（FND）によって細胞内の温度を計測することに成功したが、真に細胞と熱の関わりを明らかにするためには、より挑戦的ではあるが温度のばらつきを生み出す要因までも明らかにする必要があると考えた。よって令和2年度は「細胞内の温度はどのように伝わるのか」すなわち細胞の熱伝導率を明らかにすることが重要で有ると考え研究を進めた。FNDの内部に含まれる格子欠陥、窒素-空孔中心はナノ領域の温度計測が可能なセンサーとして機能する。一方で、ポリドーパミンPDAはドーパミンが重合した高分子であり、様々な材料表面に接着する性質を有している。また、光照射によって発熱する性質(フォトサーマル効果)を有する。本研究では、PDAコーティングしたFND(FND-PDA)を合成、発熱体と温度計が一体となった新規ハイブリッドナノシステムを構築し、ナノ領域の熱伝導を計測可能なプローブを開発した。FND-PDAに光照射すると、PDAが発熱しその発熱はFNDによって計測することができる。FND-PDAが高熱伝導率の環境にある場合、PDAの発熱は外部へ速く拡散するため、FNDの温度は上がりにくく、逆に低熱伝導率の環境にある場合はFNDの温度は高温になる。すなわち、FND-PDAを細胞内に導入しその温度上昇を調べることによって、細胞内の熱伝導率を計測することができる。実験の結果、細胞の熱伝導率は、0.11 W/mKとなり水より小さく、また大きなばらつきを持つことが明らかとなった。我々の研究によって新たに計測された細胞の熱伝導率は、従来予想されていた値（水と同等）とは大きく異なり、細胞温度生物学に新たな視点を与える成果である。

本研究的目的是阐明细胞内的温度分布以及细胞内的哪些部分和细胞器发挥感知温度的作用。直到去年，我们已经成功地使用荧光纳米金刚石（FND）测量了细胞内部的温度，但为了真正阐明细胞和热量之间的关系，测量温度变化更具挑战性，我认为有必要澄清。造成这种情况的因素。因此，我们在2020年进行了研究，认为弄清楚细胞内部的温度是如何传递的，即细胞的热导率是很重要的。 FND 中包含的晶格缺陷和氮空位中心充当能够测量纳米范围温度的传感器。另一方面，聚多巴胺PDA是由聚合的多巴胺制成的聚合物，具有粘附于各种材料的表面的性质。它还具有受光照射时产生热量的特性（光热效应）。在这项研究中，我们合成了一种PDA涂层的FND（FND-PDA），构建了一种集成加热元件和温度计的新型混合纳米系统，并开发了一种可以测量纳米范围热传导的探针。当FND-PDA受到光照射时，PDA会产生热量，可以通过FND来测量热量。当FND-PDA处于导热率较高的环境中时，PDA产生的热量会快速扩散到外部，使得FND的温度难以升高；反之，当FND-PDA处于较低的环境中时。导热性差，FND温度变高。即，通过将FND-PDA导入电池中并检查温度上升，可以测量电池内部的导热率。实验结果表明，电池的热导率为0.11 W/mK，低于水的热导率，且变化较大。我们的研究新测量的细胞热导率与之前的预期值（相当于水的热导率）显着不同，这一成果为细胞热生物学提供了新的视角。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

高度に機能制御されたダイヤモンド量子センサによる細胞内センシングの実践

使用高度功能控制的金刚石量子传感器进行实用的细胞内传感

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
外間進悟
通讯作者：
外間進悟

London University, Queen Mary(英国)

伦敦大学玛丽皇后学院（英国）

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

Surface modification of fluorescent nanodiamonds for bioimaging applications

用于生物成像应用的荧光纳米金刚石的表面改性

DOI：
发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
0
作者：
Shingo Sotoma
通讯作者：
Shingo Sotoma

In situ measurement of intracellular thermal conductivity using heater-thermometer hybrid diamond nanosensor

使用加热器-温度计混合金刚石纳米传感器原位测量细胞内导热率

DOI：
10.1126/sciadv.abd7888
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
13.6
作者：
Shingo Sotoma; Chongxia Zhong; James Chen Yong Kah; Hayato Yamashita; Taras Plakhotnik; Yoshie Harada; Madoka Suzuki
通讯作者：
Madoka Suzuki

ダイヤモンドナノ粒子による細胞の熱伝導計測

使用金刚石纳米颗粒进行电池热传导测量