Suhu adalah salah satu indikator utama keadaan sistem biologis. Jika seseorang mengalami infeksi, suhu tubuhnya meningkat (biasanya, tetapi tidak selalu), yang merupakan tanda respons sistem kekebalan terhadap ancaman tersebut. Dengan kata lain, suhu dapat digunakan untuk menentukan perkiraan keadaan tubuh. Masalahnya adalah seseorang itu besar (secara harfiah), tetapi, misalnya, panjang nematoda hanya sekitar 1 mm. Sangat sulit untuk mengukur suhu organisme sekecil itu, tetapi para ilmuwan dari Universitas Osaka (Jepang) telah mengembangkan metode untuk memecahkan masalah ini. Cara apa yang digunakan untuk mengimplementasikan nanothermometer, eksperimen praktis apa yang telah ditunjukkan, dan di mana pengembangan ini dapat digunakan? Kami akan menemukan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini dalam laporan para ilmuwan. Pergilah.
Dasar penelitian
Suhu tubuh organisme hidup bervariasi tergantung pada tingkat pengaruh faktor internal dan eksternal. Kami terbiasa dengan fakta bahwa suhu lingkungan secara langsung mempengaruhi suhu orang berdarah dingin, oleh karena itu, nilainya berubah dengan keteraturan yang membuat iri. Namun, bahkan pada hewan berdarah panas dalam kondisi fisiologis normal, fluktuasi suhu diamati, yang dapat dikaitkan dengan termoregulasi homeostatis dan metabolisme energi.
Dengan kata lain, lelucon yang bagus di sini: "Saya tidak main-main, saya orang yang sangat sibuk di tingkat sel." Dengan mengukur suhu dan dinamikanya secara akurat pada skala submikron, banyak informasi dapat diperoleh terkait aktivitas seluler dan molekuler. Masalahnya adalah ketika objek pengukuran berkurang, kompleksitas perilakunya meningkat (sulit untuk meletakkan termometer biasa dari apotek ke dalam nematoda).
Penulis penelitian mencatat bahwa termometer listrik konvensional tidak memiliki resolusi submikron, dan termografi inframerah dekat biasanya membantu menentukan suhu permukaan sampel biologis, tetapi tidak untuk suhu internal.
Tentu saja, sudah ada nanothermometer pemancar cahaya (misalnya, probe molekuler termosensitif) yang mampu mengatasi batasan ini. Namun teknik ini juga memiliki kekurangan. Yang utama adalah stabilitas jangka panjang, atau lebih tepatnya ketiadaannya. Perangkat semacam itu tidak dapat secara akurat mengukur perubahan suhu yang membutuhkan waktu lama (katakanlah beberapa jam). Belum lagi efek toksik pada sampel dari termometer semacam itu.
Dalam karya ini, para ilmuwan menjelaskan konsep termometer kuantum nanodiamond (ND dari nanodiamond ), yang sangat akurat, kuat, dan rendah toksisitas. Prinsip operasinya adalah sebagai berikut: sensor membaca suhu sebagai pergeseran frekuensi resonansi magnetik yang dapat dideteksi secara optik (ODMR dariresonansi magnetik yang terdeteksi secara optik ) dari pusat-pusat kekosongan nitrogen yang rusak (NV dari kekosongan nitrogen ), yang terutama muncul karena ekspansi termal kisi. Inti sensor NV tertanam dalam-dalam di kisi berlian dan kebal terhadap berbagai faktor lingkungan biologis. Pengenalan sensor kuantum ini ke dalam organisme yang lebih kompleks memungkinkan untuk membaca aktivitas termal mereka di lokasi tertentu secara real time. Tetapi proses penerapan teknik semacam itu penuh dengan sejumlah kesulitan.
Nematoda (cacing gelang) dari spesies Caenorhabditis elegans .
Organisme model multiseluler seperti cacing Caenorhabditis elegans, membutuhkan ruang khusus yang dapat menampung tubuh berukuran milimeter, dan sampelnya sendiri perlu dianalisis dengan cepat untuk mempertahankan keadaan fisiologisnya. Termometer ND kuantum bergerak jauh lebih cepat daripada di sel yang dikultur, bahkan jika tubuh mengalami dehidrasi, memerlukan algoritme pelacakan partikel yang cepat. Selain itu, pergerakan posisi ND dan struktur kompleks tubuh menyebabkan fluktuasi yang signifikan dalam intensitas fluoresensi yang terdeteksi, yang kemungkinan besar menyebabkan artefak pengukuran suhu. Solusi untuk masalah ini pada tahap penelitian ini melibatkan penyesuaian perangkat dengan karakteristik individu dari sampel yang dianalisis. Masalah keserbagunaan dan kemudahan dalam pengaturan nanothermometer masa depan direncanakan untuk dipertimbangkan dalam pekerjaan masa depan,Sementara itu, perhatian diberikan pada konsep itu sendiri dan prinsip-prinsip dasar pekerjaan.
, .
Dasar dari nanothermometer adalah mikroskop confocal fluorescence yang dilengkapi dengan unit iradiasi gelombang mikro (1A).
Gambar # 1
Kekosongan nitrogen ODMR dapat diukur sebagai penurunan intensitas fluoresensi yang diinduksi laser ketika eksitasi gelombang mikro resonansi spin diterapkan, karena eksitasi spin mengaktifkan jalur relaksasi non-fluoresen dari keadaan tereksitasi ke keadaan dasar ( 1B ).
Ruang sampel adalah piringan dasar kaca sekali pakai yang terintegrasi ke dalam antena yang menyediakan akses optik besar (diameter 12 mm) dan kemudahan penggunaan ( 1C ) yang sesuai untuk sampel yang rumit seperti sel induk. Waktu dari penangkapan cacingCaenorhabditis elegans hanya 15 menit sebelum pengukuran yang sebenarnya. Ini membantu cacing tetap hidup dan memberikan lebih banyak data tentang kesehatannya.
Selain itu, sistem ini secara efektif mengintegrasikan pelacakan partikel cepat dan perkiraan suhu waktu nyata yang sangat akurat dari NV center offset ODMR.
Dalam pelacakan partikel, sistem mengukur intensitas fluoresensi ND sepanjang sumbu xyz mikroskop dan berfokus pada fluoresensi maksimum yang sesuai setiap 4 detik (interval pelacakan yang lebih pendek dimungkinkan) selama suhu diperkirakan dengan waktu pengambilan sampel 0,5 hingga 1,0 detik. ( 2A ).
Gambar No. 2
Ada beberapa metode termometri kuantum, tetapi dalam pekerjaan ini metode pengukuran empat titik ODMR digunakan. Metode ini mengasumsikan bahwa jumlah foton yang terdeteksi pada keempat frekuensi yang dipilih diskalakan secara linier sesuai dengan perubahan intensitas fluoresensi yang terdeteksi.
Namun, ditemukan bahwa setiap foton berikutnya menunjukkan perbedaan sensitivitas cahaya sekitar ∼0,5%, yang sebenarnya menciptakan artefak yang signifikan dalam perkiraan pergeseran frekuensi (yaitu ∼300 kHz, yang sesuai dengan beberapa derajat Celcius), terutama dalam mode foton rendah.
Artefak ini kemungkinan besar disebabkan oleh asimetri yang bergantung pada daya optik dalam spektrum ODMR. Untuk secara akurat mengukur suhu sistem dinamis optik kompleks (yaitu sistem biologis), perlu untuk menyingkirkan artefak tersebut. Oleh karena itu, filter koreksi kesalahan telah ditambahkan ke metode pengukuran empat titik.
Untuk mengevaluasi pengoperasian sistem, ditambah dengan koreksi kesalahan, pengukuran ND suhu secara real-time dilakukan selama kejadian termal bertahap. Perubahan suhu yang tiba-tiba tidak dapat digunakan, karena perubahan suhu yang tiba-tiba menyebabkan pengaburan besar titik fokus dan fluktuasi terkait dalam intensitas fluoresensi.
Pada 2B menunjukkan profil waktu dari jumlah total foton (I tot) dan estimasi suhu ND (∆T NV ) saat suhu sampel (T S ) berubah dari 44,3 ° → 30,4 ° → 44,3 ° dengan langkah ∼2,8 °. Sistem secara akurat mengeluarkan ∆T NV , sesuai dengan T S , sementara posisi fokus telah bergerak secara signifikan, terutama di sepanjang sumbu z dalam jarak lebih dari 30 μm ( 2C ).
Dengan langkah 3 °, pergeseran posisi 6 μm pada sumbu z muncul dalam 3-4 menit, tetapi kecepatan pelacakan cukup tinggi untuk mengikuti dinamika 105 nm / s selama 96 menit ( 2C ).
Selain itu, ∆T NV secara jelas menunjukkan antikorelasi dengan I tot... Sebuah studi statistik jenis ketergantungan suhu ini menentukan nilai rata-rata untuk SD: I tot -1 dI tot / dT = -3,9 ± 0,7% / ° dan dD / dT = - 65,4 ± 5,5 kHz / ° ( 2D ). Akurasi pengukuran suhu masing-masing adalah ± 0,29 ° dan <0,6 ° C, yang memberikan sensitivitas 1,8 ° C / √Hz.
Setelah mencapai termometri real-time yang andal dan akurat sebagai bagian dari fase pengembangan, pengujian pemantauan suhu lokal dilakukan pada cacing hidup.
Gambar №3
Digambarkan 3A menunjukkan ND dibius cacing di dalam, ditempatkan di dekat antena microwave. ND ini terdispersi dengan baik dalam air karena fungsi permukaan poligliserol (PG daripoligliserol ) dan dimasukkan melalui injeksi mikro ke dalam gonad (kelenjar cacing percobaan).
Grafik 3B menunjukkan spektrum ODMR dari sebuah ND (ditandai dengan panah pada 3A ). 3C menunjukkan profil saat saya tot dan AT NV selama 1 jam sebagai suhu T S berubah .
Pertama, T obj diukur pada 33,2 ° C, setelah 6 menit dilakukan penurunan menjadi 25,3 ° C. Hasilnya, Tobj mencapai 28,6 ° pada 35,2 menit. ∆T NV menunjukkan perubahan suhu yang tepat antara dua status stasioner: 33,2 dan 28,6 ° C.
Tampilan dinamika nyata suhu di dalam worm antara dua kondisi mapan ini ditampilkan karena fakta bahwa ∆T NV selalu tertinggal di belakang T S dan menunjukkan respons yang sedikit diremehkan karena kapasitas panas yang terbatas dari objektif mikroskop dan lingkungan. I tot juga menunjukkan perubahan bertahap dalam intensitas fluoresensi yang disebabkan oleh suhu.
Pelacakan partikel juga memuaskan ( 3C ). Dalam 0-15 menit, foton yang dihitung menunjukkan semburan yang sering karena fluktuasi posisi ND pada sekitar 400 nm selama beberapa detik.
Hasil pengujian dengan jelas menunjukkan keakuratan pengukuran suhu yang tinggi di dalam sistem biologi skala nano secara real time. Selanjutnya, diputuskan untuk melakukan tes tambahan, sebelum cacing percobaan menjalani pengobatan farmakologis dengan C 10 H 5 F 3 N 4 O (FCCP dari karbonil sianida-4- (trifluoromethoxy) fenilhidrazon ), menyebabkan termogenesis tidak bergerak (secara kasar, peningkatan suhu karena peningkatan metabolisme dan tanpa aktivitas otot tambahan).
Gambar №4
Digambarkan 4A menunjukkan ND cacing dirangsang oleh FCCP. Dan grafik 4B menunjukkan profil waktu ∆T NVND ditandai dengan panah pada gambar.
Pada menit ketujuh setelah pengukuran dimulai, larutan FCCP digunakan. Pada menit ke-32, ∆T NV mulai meningkat secara bertahap, dan pada menit ke-48, peningkatan tambahan yang lebih besar diamati ketika tingkat perubahan suhu meningkat dari 4 menjadi 7 ° C. Demam berlangsung sekitar 80 menit.
Selama stimulasi, ND perlahan-lahan bergerak beberapa mikrometer selama satu jam, yang menegaskan hasil eksperimen terpisah di mana ND terus menerus diamati di bawah mikroskop.
Kelompok cacing kontrol ( 4C dan 4D ), yang tidak diinjeksi dengan FCCP, menunjukkan respon ∆T NV yang seragam selama pengujian tanpa perubahan suhu yang jelas.
Untuk mengkonfirmasi lebih lanjut bahwa FCCP benar-benar menginduksi peningkatan suhu tubuh pada cacing, kuantifikasi cacing berlabel ND dilakukan pada kelompok kontrol dan eksperimental ( 4E ). Grafik dengan jelas menunjukkan peningkatan suhu pada cacing dari kelompok eksperimen dibandingkan dengan kelompok kontrol.
Eksperimen kontrol lain, di mana tidak ada solusi buffer yang ditambahkan dan ∆T NV dipantau secara statis, menunjukkan bahwa penambahan dopan menyebabkan ∆T NV berfluktuasi pada tingkat tertentu baik karena perubahan suhu atau karena artefak perpindahan ODMR. Namun, pengamatan pergeseran seperti itu tidak mungkin dilakukan dengan penambahan FCCP, yang juga mengkonfirmasi peningkatan suhu karena FCCP pada kelompok cacing percobaan ( 4F).).
Untuk pengenalan yang lebih mendetail tentang nuansa penelitian ini, saya sarankan agar Anda melihat laporan ilmuwan dan bahan tambahan padanya.
Epilog
Dalam studi ini, para ilmuwan mampu mengembangkan teknik yang memungkinkan Anda mengukur suhu secara akurat di dalam sistem biologi skala nano secara real time. Secara berlebihan, mereka berhasil mengukur suhu tubuh cacing Caenorhabditis elegans , yang panjangnya sekitar 1 mm.
Penting untuk dipahami bahwa jauh lebih mudah mengukur apa pun dalam sampel besar daripada dalam sampel kecil. Kendati demikian, penggunaan nanodiamond yang disuntikkan ke tubuh cacing memungkinkan untuk mengetahui suhu tubuh cacing dalam kondisi normal. Nanodiamonds ini, masuk ke dalam tubuh, mulai bergerak dengan cepat. Algoritme yang dikembangkan secara khusus dan mikroskop fluoresensi confocal memungkinkan untuk melacak dan menganalisis pergerakan mereka. Data yang diperoleh memungkinkan untuk secara akurat menentukan suhu tubuh cacing dan dinamikanya, bahkan setelah pengenalan zat khusus yang menyebabkan peningkatan suhu.
Karya ini tidak hanya menunjukkan bahwa teknologi kuantum dapat dan harus diterapkan dalam biologi, tetapi juga memperluas cakupan kemungkinan dalam aspek mendiagnosis berbagai proses di tingkat makro. Sangat sering, keadaan sistem biologis secara langsung atau tidak langsung bergantung pada proses yang terjadi di dalam sel, yang sebelumnya sangat sulit diukur secara real time. Setelah menerima lebih banyak informasi mengenai elemen penyusun sistem, Anda dapat lebih memahami sistem itu sendiri, yang, tentu saja, akan memungkinkan Anda untuk mempengaruhi operasinya secara lebih efektif.
Terima kasih atas perhatiannya, tetap penasaran dan semoga akhir pekan Anda menyenangkan, guys! :)
Sedikit iklan
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman, cloud VPS untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server level awal yang kami ciptakan untuk Anda: The Whole Truth About VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps dari $ 19 atau bagaimana membagi server dengan benar? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Apakah Dell R730xd 2x lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - Dari $ 99! Baca tentang Bagaimana membangun infrastruktur bldg. sekelas dengan server Dell R730xd E5-2650 v4 dengan biaya € 9000 untuk satu sen?