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運用奈米金-鑽石複合式材料測量細胞膜的熱穩定性

Measuring Nanoscale Thermostability of Cell Membranes with Single Gold-Diamond Nanohybrids


綜觀過去對於生物系統的熱效應研究史料中,大多局限於微米尺度的空間解析量測,只有少數研究對於細胞熱穩定性與耐熱性達到奈米尺度的領域,另外常見使用100 nm大小的奈米金球對癌細胞施以光熱療法的相關研究,但始終缺少溫度的訊息。本研究中所運用的奈米金-鑽石材料為奈米加熱器與溫度計複合式材料,尤其適用於活體系統的探討,其中594 nm雷射同時擔任加熱奈米金與激發螢光奈米鑽石的光源,我們藉由記錄鑽石螢光光譜中的零聲子線特徵峰,比較加熱前後特徵峰中心波長的偏移量,即可測量出溫差訊息,而此特徵峰為螢光奈米鑽石內部的單一負電荷氮-空缺中心所形成。從過去所發表的螢光奈米溫度計種類中,螢光奈米鑽石具備高度的生物相容性與獨特的氮-空缺中心,此中心結構可使用於生物系統的磁光效應研究探討,本研究中所使用的單一螢光奈米鑽石粒子直徑為100 nm,該粒子包含了900個氮-空缺中心結構,另一方面,此鑽石的螢光具有高強度與高穩定性,非常適合於活體細胞與生物組織長時間的追蹤與偵測。


運用奈米金-鑽石複合式材料測量細胞膜的熱穩定性


本文所使用的細胞種類為人類胚胎腎細胞,細胞間彼此可藉由細胞膜通道溝通與傳遞物質,物質的種類可包含蛋白質、胞器與細胞質等。值得一提的是常見的病毒與疾病都可發現此細胞膜通道結構存在,如HIV病毒、帕金森氏症與阿茲海默症等。此細胞膜通道長度可長達30 μm,寬度只有1 μm,但對單一螢光奈米鑽石粒子而言此空間已足夠利用本文的溫度測量技術,精確的量測出人類胚胎腎細胞間單一細胞膜通道斷裂的溫度。研究首先針對細胞間細胞膜通道耐熱性測量,同樣比較50%的細胞膜通道斷裂總數結果,全區加熱與局部加熱溫差約10° C,此巨大差異來自於加熱奈米金所產生的局部溫度梯度在通道內可達到10° Cμm-1,產生的熱局限於狹小的細胞膜通道內並造成細胞膜通道斷裂。另一部份針對細胞膜耐熱性測量,藉由加熱奈米金,可在細胞膜上製造出奈米區域高溫度環境,結果顯示細胞膜破裂或破洞的產生溫度需高達65° C,主要原因是細胞膜表面為高曲率結構且位於開放的環境下不利於熱累積形成,所以需要更高溫的熱源才能對細胞膜造成破壞。本文的最後部份針對群聚細胞的細胞膜耐熱性測量,意外觀察到由奈米區域所產生的熱可在細胞間傳遞,甚至導致細胞凋零與死亡,熱傳遞的範圍已達50 μm以上,遠大於兩個相鄰細胞的距離,這部份為最新的研究結果並提供了溫度的訊息。

 

總合言之,我們研發出奈米金-鑽石複合式材料,利用螢光奈米鑽石光譜中的零聲子線特徵峰偏移來測量溫度,並藉由改變雷射入射強度來調控奈米金的加熱效果,此技術可望運用於光熱療法及光激發運送基因傳遞等領域,成為相關研究與應用的新典範。


该研究由中央研究院原子与分子科学研究所张焕正博士研究组完成,相关研究在线发表于Angew. Chem. Int. Ed.(DOI: 10.1002/anie.201700357)。原文链接如下,或直接点击下方阅读原文

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201700357/full


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