A nyelv alá helyezhető lázmérő helyett a kutatók egy olyan kicsi hőmérőt fejlesztettek ki, amellyel egyetlen élő sejt, sőt akár a sejt egyes területei, például a sejtmag hőmérséklete is mérhető. A hasonló technológiák segíthetnek a kutatóknak az anyagcsere és az élet egyéb kémiai reakcióinak legkisebb léptékben történő tanulmányozásában. Az eredményekről a Science Advances című folyóiratban számoltak be.

Eddig a legjobb sejthőmérők a nitrogén-vakancia centrumként ismert hibákkal rendelkező nanogyémántok voltak, de mivel minden gyémánt kissé eltérő, az ilyen mérések nem voltak konzisztensek. Az új tanulmány szerzői érdekes alternatívát hoztak létre: molekuláris kvantum-nanoszenzorokat. A csapat egy pentacén nevű szénhidrogén-vegyület molekuláit ágyazta be egy kristályba. Ezután a kristályt megrázták, hogy kisebb részecskékre törjön, és a folyamat során polimerrel bevonták a darabokat, hogy megakadályozzák az összetapadást, és biztosítsák a sejteken való biztonságos használatot. Az így kapott szenzorok átmérője 200–500 nanométer volt, ami az emberi vörösvérsejt átmérőjének töredéke.

Ezen kvantumérzékelők viselkedése a pentacénmolekulák elektronjainak bizonyos kvantumállapotai közötti szuperpozícióktól függ – vagyis az elektronok egyszerre több állapotot is elfoglalnak. A zöld lézerfény rájuk irányítva vörös fényt váltott ki belőlük, ugyanakkor az érzékelők bizonyos frekvenciájú mikrohullámokkal történő egyidejű stimulálása kissé elhalványította a fényüket. Az érzékelők környezetének hőmérséklete (és ebből következően maguknak az érzékelőknek a hőmérséklete is) befolyásolja az elhalványítást kiváltó frekvenciát. A szerzők meghatározták a halványulást kiváltó frekvencia és a hőmérséklet közötti pontos összefüggést, ami lehetővé tette számukra, hogy az egyiket a másikból levezessék.

Ahhoz, hogy az érzékelőket a sejtekbe juttassák, a szakértők a tumorsejteket az érzékelőket tartalmazó oldatokban áztatták, amíg azok felszívódtak, illetve közvetlenül a sejtmagokba injekciózták őket. A csapat ezután a lézerrel és mikrohullámokkal ingerelte a szenzorokat, és megnézték, mely mikrohullámú frekvenciák okoztak azoknál halványulást, ami a sejtek hőmérsékletének mutatója lett.

Az eddigi kísérletek alapján a molekuláris kvantumérzékelők továbbfejlesztett verziói rendkívül pontosak. A több érzékelő által párhuzamosan végzett mérések eredményei 0,3 °C-on belül voltak egymáshoz képest. Ezzel szemben a nanogyémánt érzékelők hőmérsékletmérései több fokkal is eltérhetnek egymástól. Az új nanoszenzorok segítségével a kutatók megállapították, hogy a sejt különböző részeinek hőmérséklete akár 1 °C-ot is különbözhet.

„Szerintem ez egy fantasztikus mérföldkő” – mondja Sarah Mann, a Glasgow-i Egyetem fizikusa, akinek csapata bemutatta, hogyan lehet szobahőmérsékleten szabályozni és mérni a pentacén molekulákat: „Pontosan ezt reméltem, hogy ide vezet a saját kutatásom ezekkel az anyagokkal kapcsolatban. Ez nagyon hasznos lehet a betegségek felismerésében.”

Az új vizsgálatot vezető Nobuhiro Yanai és tokiói kollégái megállapították, hogy nemcsak a sejtek hőmérsékletét tudják mérni, hanem más tényezőket is, például az oxidatív stressz szintjét. Az érzékelők jelenlegi verziója nem okozott mérhető károsodást a sejtekben, de a rendszer hasznosságának növelése érdekében még kisebb nanorészecskéket akarnak készíteni, hogy elkerüljék a biológiai folyamatok megzavarását. A siker, mondja Yanai, lehetővé tenné számukra, hogy „kémkedjenek” a sejtek tevékenységei után.