Теперь, когда у ученых появился инструмент для точечного управления теплом в биосистемах, открывается множество направлений исследований и его потенциальных применений. Перечислим некоторые из самых захватывающих перспектив:
Термогенетика
Если в клетку встроить термочувствительный канал, то с помощью локального нагрева можно включать и выключать активность клетки. Представьте нейрон с термочувствительным каналом. Наведя на него инфракрасный лазер через череп (ткани относительно прозрачны для ИК), мы разогреем на пару градусов именно этот нейрон — канал откроется, и нейрон выстрелит импульсом. Так можно адресно активировать отдельные нейроны или их группы, не затрагивая соседние, что может сыграть важную роль в лечении многих неврологических заболеваний, например, таких как эпилепсия (мы уже писали про патогенез болезни и роль калиевых каналов в ее лечении). Уже есть работы, где инфракрасным микролучом стимулировали нейроны у плодовых мушек. Метод называют FLIRT — Fast Local InfraRed Thermogenetics.
Локальная гипертермия в медицине
Идея убивать раковые клетки теплом — совсем не новая. Уже применяются наночастицы железа, которые нагреваются в переменном магнитном поле и точечно «выжигают» опухоль. Но алмазные наночастицы с лазерным нагревом могут придать этому методу небывалую ранее точность. Их плюс — в флуоресценции, то есть мы можем визуализировать их и следить, куда они попали. Однако важнейшим вопросом остается эффективная доставка таких наночастиц именно в опухолевые клетки без задействования здоровых тканей. На сегодня таргетная доставка — одна из наиболее сложных задач в наномедицине, в случае ее успешного решения наночастицы алмаза могли бы обеспечить беспрецедентную точность гипертермии. Более того, вшитый термометр позволит не перегреть лишнего: как только в целевой клетке достигнута нужная температура, лазер отключится автоматически. Это умная гипертермия, управляемая обратной связью по температуре. Пока имеющиеся альтернативы не имеют такого уровня контроля.
Регуляция экспрессии генов теплом
В генетических конструкциях известны промоторы теплового шока — участки ДНК, которые активируют считывание генов при повышении температуры. Это эволюционный механизм: при перегреве клетки с помощью таких промоторов включают защитные белки. Биоинженеры уже используют тепловые промоторы, чтобы искусственно включать нужные гены нагревом клеточной культуры. Но с нанотермометрическими нагревателями можно пойти дальше, а именно, активировать ген в одной клетке или даже в ее части. Например, заставить одну-единственную клетку в ткани вырабатывать лекарственный белок, нагревая именно ее. Это открывает дорогу к точечной генотерапии: включать и выключать гены в заданных местах организма по команде лазера. Такой тонкой пространственной регуляции никакими другими методами не добиться.
Нанотермометры — нейронауке
Мозг — это орган, чувствительный к температуре, и он сам прогрет неоднородно. Недавние исследования показали, что глубокие отделы мозга человека теплее поверхностных, и колебания температуры могут влиять на суточные ритмы и когнитивные функции. С помощью нанотермометрии можно измерять микротемпературу в мозге лабораторных животных. Есть ли локальный нагрев при активной работе нейронов? Можно ли обнаружить мини-перегрев при эпилептическом припадке в очаге? А также — можно ли охладить небольшой участок мозга для терапии? Алмазные наночастицы, введенные в нужную зону и управляемые лазером, — потенциальный способ реализовать тепловую нанохирургию в мозге. Конечно, до практического применения тут далеко, но первые лабораторные эксперименты уже на горизонте.
И всё-таки: жарко ли митохондрии?
Нанотермометры позволят, наконец, поставить точку в спорах о «горячих митохондриях» в исследованиях биоэнергетики. Теперь можно прямо измерить температуру внутри митохондрии или рядом с ней, поместив туда сенсор, и увидеть, есть ли разница в температурах с остальной цитоплазмой. В 2022 году вышло исследование по измерению тепла, выделяемое изолированными митохондриями мышиного мозга с помощью алмазного квантового зонда. При полном «сбросе» мембранного потенциала температура у митохондрий поднималась на 4–22 oC выше фоновой, достигая максимума в ~45 oC. Этот результат — важное свидетельство высокой термогенной активности митохондрий и наглядный пример применения наноалмазной термометрии в биоэнергетике.
Также был проведен эксперимент по измерению теплопроводности внутри клетки с помощью гибридных алмазных нанодатчиков. Такие эксперименты помогают уточнить, как быстро рассеивается тепло в живой клетке, сравнить ее теплопроводность с водой. Стало возможно измерять тепловыделение при отдельных реакциях и эффективность молекулярных механизмов клетки более точно. Полученные данные могут обогатить наше понимание неравновесных процессов в клетке — от передачи энергии до тепловых градиентов в органеллах. А в перспективе такие знания помогут точнее интерпретировать поведение клеток при тепловом стрессе и создавать условия, в которых можно подбирать более стабильные белки или штаммы. Хотя на практике устойчивые ферменты чаще находят с помощью метода направленной эволюции или предсказаний нейросетей, понимание физической картины остается важной основой для таких подходов.
Микроэлектроника, химическая и фармацевтическая промышленность
Хотя исходно такие термометры-нагреватели рождены для биологии, сама технология точного измерения и регуляции температуры в микромасштабе может использоваться и за ее пределами. Например, в микроэлектронике — контролировать нагрев микропроцессоров в точках наиболее сильного выделения тепла (алмазы здесь весьма кстати: в чипах алмаз используется как высокотеплопроводный теплоотвод, а тут еще и сенсор на его базе). В химической микроаналитике — проводить реакции в микрочипах с точным термоконтролем отдельных зон (полезно для lab-on-a-chip устройств, ПЦР и т.д.).
В фармацевтических исследованиях температурные сенсоры открывают новые возможности для оценки действия лекарств. Микрокалориметрия, то есть измерение очень малых количеств тепла, позволяет регистрировать мельчайшие изменения теплопродукции клеток — как результат изменения их метаболической активности под действием препаратов или связывания молекул лекарств с их мишенями. Это особенно важно при разработке новых соединений. По тепловому отклику можно не только определить факт взаимодействия, но и количественно оценить аффинность и эффективность потенциального лекарства. Такой подход позволяет буквально «на глаз» увидеть, как меняется клеточный обмен веществ при добавлении тестируемого соединения — и делать это в реальном времени.
Конечно, каждое из этих направлений — целое поле для исследований. Но общее у них одно: они нуждаются в умении тонко управлять температурой на наноуровне, и теперь оно у нас есть.
Больше о том, зачем измерять и регулировать температуру внутри клетки, читайте на нашем сайте.