Nano-Thermometer für lebende Zellen

Mit winzigen Nanodiamanten haben amerikanische Physiker eines der kleinsten Thermometer der Welt entwickelt. Als Sonden in lebenden Zellen können die Kristalle den Temperaturgradienten bis auf ein zwanzigstel Kelvin genau und mit hoher räumlicher Auflösung von etwa 200 Nanometern bestimmen. Dieses Zell-Thermometer, das von dem Team um Mikhail Lukin an der Havard University in Cambridge entwickelt wurde, ermöglicht detaillierte neue Einblick in den Stoffwechsel von Zellen und könnte nicht nur in der Tumorforschung sondern auch bei der Analyse von chemischen Prozessen auf der Nanoskala genutzt werden.

Für ihr Experiment deponierten Lukin und seine Kollegen vom Department of Physics einzelne Nanodiamanten mit filigranen Nanodrähten aus Silizium in lebende Fibroblasten. Diese Zellen finden sich vor allem im Bindegewebe. Die Diamantkristalle verunreinigten sie zuvor mit Stickstoffatomen, um gezielt Fehlstellen mit spezifischen elektronischen Eigenschaften zu erhalten. Die Nanodiamanten konnten so Spinzustände ausbilden, deren Besetzungsgrad sich über eine Bestrahlung mit Mikrowellen kontrollieren ließ.

Fiel nun grünes Laserlicht auf einen Nanodiamanten, reagierte dieser mit einer roten Fluoreszenz. Die Intensität dieser Lichtsignale variierte dabei mit der Temperatur der Umgebung. Über eine genaue Spektralanalyse des Fluoreszenzlichts konnten die Forscher daher auf relative Temperaturunterschiede an den Positionen der Nanodiamanaten schließen. Als künstliche Wärmequelle in der lebenden Zelle diente den Forscher ein weiteres Nanoteilchen aus Gold, das mit einem Laserstrahl aufgeheizt werden konnte.

Mit diesem ausgeklügelten Experiment erreichten Lukin und Kollegen eine sehr hohe Genauigkeit. So konnten sie mit einer räumlichen Auflösung von bis zu 200 Millionstel Millimetern die Temperatur in der lebenden Zelle auf etwa ein zwanzigstel Grad genau bestimmen. Da das Potenzial für die Messgenauigkeit mit den Nanodiamantsonden erheblich größer ist, hoffen sie, die Genauigkeit der Messungen bis auf wenige tausendstel Kelvin steigern zu können. Allerdings lieferte dieses Zell-Thermometer nur relative intrazelluläre Temperaturwerte.

Erste Anwendungen dieses fluoreszierenden Nanothermometers könnten in der Zellbiologie liegen, um etwa den Einfluss von Temperaturänderungen auf den Stoffwechsel oder das Wachstum von Tumorzellen zu bestimmen. Doch auch in der Chemie oder in der Materialforschung versprechen sie sich von hochaufgelösten und exakten Temperaturmessungen neue Impulse.

Jan Oliver Löfken

PH