18.09.2020

Quanten-Temperaturmessung in vivo

Erstmals gelingt eine Temperaturbestimmung in einem lebenden Organismus mit Quantentechnologie.

Die genaue Messung der Temperatur in lebenden Organismen bei gleichzeitig höchster, räumlicher Auflösung ist sehr wichtig, um Stoffwechsel­prozesse genau untersuchen zu können. Allerdings war eine solche Messung bislang unmöglich, weil präzise und zuverlässige Nano­thermometer oder Nano­temperatur­sonden fehlten. Ein internationales Forscherteam um Oliver Benson von der Humboldt-Universität zu Berlin und Masazumi Fujiwara von der Osaka City University hat nun einen nur wenige Nanometer großen Quanten­sensor entwickelt und mit diesem Temperatur­veränderungen in einem Faden­wurm messen können, dem eine pharmakologische Substanz verabreicht wurde. Die Resultate öffnen den Weg für vielfältige Anwendungen der neuartigen Quanten­sensorik in der biomedizinischen Forschung, etwa für die Aufnahme hoch­auflösender Wärme­bilder.
 

Die Wissenschaftler verwendeten in ihrem Experiment kleine Diamanten mit Durchmessern von wenigen zehn Nanometern. Diese Nano­diamanten enthalten fluoreszierende Quanten­defekte, die man unter einem optischen Mikroskop beobachten kann. Mit Hilfe von eingestrahlten Mikrowellen lässt sich die Helligkeit der leuchtenden Quanten­defekte verändern. Bei einer ganz bestimmten Mikrowellen­frequenz erscheinen die Defekte etwas dunkler. Diese Resonanz­frequenz hängt von der Temperatur ab. Die Forscher konnten nun die Verschiebung der Resonanz­frequenz sehr genau bestimmen und damit die Temperatur­änderung am Ort der Nanodiamanten präzise bestimmen.

Die Nanodiamanten wurden in einen Fadenwurm (C. Elegans) eingebracht. C. Elegans ist ein sehr gut verstandenes Modell­system und wird in vielen biophysikalischen und biochemischen Experimenten untersucht. Durch Gabe einer pharmakologischen Substanz konnten in einzelnen Zellen des Wurms die Mitochondrien, die Kraftwerke der Zellen, zu erhöhter Aktivität angeregt werden. Dies zeigte sich als eine leichte lokale Temperatur­erhöhung von wenigen Grad.

Die Forscher zeigten sich fasziniert von den Ergebnissen des Experimentes. Masazumi Fujiwa-ra, Professor an der Osaka City University: „Ich hätte nie gedacht, dass die neuen Methoden der Quanten­technologie sogar bei lebenden Organismen so gut funktionieren.“ Benson ergänzt: „Mit diesen viel­versprechenden Resultaten sind wir sehr zuversichtlich, dass die Quanten­sensorik sich auch in der Biochemie und Biomedizin etablieren wird.“ Die Forscherteams arbeiten nun daran, ihre Mess­methode weiter zu verbessern und zu automatisieren, damit sie einfach in Standard­mikroskopie-Aufbauten integriert werden kann. 

HU Berlin / DE
 

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