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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J00287/
• 关键词: ナノダイヤモンド; 細胞; 温度; 熱伝導率; 化学修飾; 温度計測; 窒素空孔中心; 磁気共鳴; NVセンタ; 量子センサ; 蛍光イメージング; 金ナノロッド

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。

This study で は, の temperature distribution in the cell, お よ び, intracellular の ど の parts, オ ル ガ ネ ラ が temperature を perception す る "を cut bear う の か を Ming ら か に す る こ と で あ る. Before the annual ま で に 蛍 optical ナ ノ ダ イ ヤ モ ン ド (FND) に よ っ て in cells を の temperature measuring す る こ と に successful し た が, true に cell と hot の masato わ り を Ming ら か に す る た め に は, よ り pick 戦 で は あ る が temperature の ば ら つ き を raw み out す by ま で も Ming ら か に す る necessary が あ る と exam え た. よ っ て make and 2 year は "は intracellular の temperature ど の よ う に 伝 わ る の か" す な わ ち cells の 伝 heat conductivity を Ming ら か に す る こ と が で have important る と を え test research into め た. FND の contains internal に ま れ owe 陥 る grid, smothering - empty hole center は ナ が の thermometer ノ field test may be な セ ン サ ー と し て function す る. Party で, ポ リ ド ー パ ミ ン PDA は ド ー パ ミ ン が overlap し た polymer で あ り, others 々 な material surface に then す る nature を have し て い る. Youdaoplaceholder0, the heat dissipation する property of light irradiation によって (フォトサ また and the effect of)を has する. This study で は, PDA コ ー テ ィ ン グ し た FND (FND - PDA) を synthesis, integration と 発 hot body thermometer が と な っ た new rules ハ イ ブ リ ッ ド ナ ノ シ ス テ ム を constructing し, ナ の hot 伝 ノ field guide を measuring may な プ ロ ー ブ を open 発 し た. Fnd-pda に light irradiation すると, PDAが heat generation <s:1> そ heat generation <s:1> FNDによって meter measurement すると がで とがで る る. FND - PDA が heat 伝 conductivity の environment に あ る occasions, PDA の 発 hot は external へ speed く company, scattered す る た め, FND の temperature on は が り に く く, inverse に low thermal 伝 conductivity の environment に あ る occasions は FND の temperature high temperature は に な る. す な わ ち, FND - PDA を intracellular に import し そ の temperature rise を べ る こ と に よ っ て, intracellular の 伝 heat conductivity を measuring す る こ と が で き る. Be 験 の results, cell の hot 伝 conductivity は, 0.11 W/mK と な り water よ り small さ く, ま た big き な ば ら つ き を hold つ こ と が Ming ら か と な っ た. I 々 の research に よ っ て new た に measuring さ れ た cells の 伝 heat conductivity は, 従 come to think さ れ て い た nt (water と equivalent) と は big き く different な り biology, cell temperature に new た な viewpoints を and え る results で あ る.

项目成果

Academia Sinica(台湾)

中央研究院（台湾）

“生きる”とは？私たち生物の細胞が熱を伝えるメカニズムの解明へ。

“活着”是什么意思？

London University, Queen Mary(英国)

伦敦大学玛丽皇后学院（英国）

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

• 发表时间: 2020
• 作者: Kojima K;Shibukawa A;Sudo Y;塚本庸平,浦田悠輔,齊木颯,小川光貴,竹内英之,岡島徹也;外間進悟
• 通讯作者: 外間進悟

Surface modification of fluorescent nanodiamonds for temperature sensing inside cells

荧光纳米金刚石的表面修饰用于细胞内温度传感

• 发表时间: 2019
• 作者: Hayashi Tomohiko;Yasuda Satoshi;Suzuki Kano;Akiyama Tomoki;Kanehara Kanae;Kojima Keiichi;Tanabe Mikio;Kato Ryuichi;Senda Toshiya;Sudo Yuki;Murata Takeshi;Kinoshita Masahiro;Shingo Sotoma
• 通讯作者: Shingo Sotoma