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

点击翻译按钮获取中文摘要

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。