Los procesos intracelulares en un sistema biológico dependen de la temperatura. La medición de gradientes de temperatura a nivel subcelular localizado es fundamental para una comprensión más profunda de las funciones celulares. Sin embargo, detectar cambios de temperatura a nivel subcelular sigue siendo un desafío.
Estudio: Los sensores cuánticos de nanodiamantes revelan las fluctuaciones de temperatura asociadas con la activación de las neuronas del hipocampo. Crédito: Kateryna Kon/Shutterstock.com
Un artículo publicado en la revista Advanced Science discutió por primera vez la potenciación e inhibición de las fluctuaciones de temperatura asociadas con el disparo neuronal utilizando un nanotermómetro basado en resonancia magnética detectada ópticamente en nanodiamantes.
Los resultados mostraron que los centros de vacantes de nitrógeno de nanodiamantes ayudan a monitorear diferentes variaciones de temperatura mediante la evaluación de diferentes niveles de actividad de picos neuronales. Este aumento neuronal está asociado con la activación espontánea de las neuronas del hipocampo, el silenciamiento de la red y la desinhibición de la transmisión basada en el ácido gamma-aminobutírico (GABA).
En el presente trabajo, los nanodiamantes ayudan a investigar sistemáticamente los gradientes de temperatura localizados en condiciones patológicas y fisiológicas.
Aplicaciones de los nanodiamantes en fisiología celular
Las actividades neuronales son esenciales para la formación adecuada de los circuitos neuronales y afectan los procesos de desarrollo, como la neurogénesis, la migración, la diferenciación celular, la muerte celular programada, la formación de conexiones axonales locales y de larga distancia, la mielinización y la plasticidad sináptica.
La temperatura afecta significativamente la función neuronal y la integración sináptica. Un cambio en la temperatura puede afectar la fisiología neuronal de varias maneras, dependiendo de cómo afecte a los diferentes miembros del complemento del canal de iones de la célula. Los efectos de la temperatura en la función neuronal son cruciales para condiciones patológicas como la fiebre, que pueden desencadenar actividad convulsiva, pero también son importantes para la interpretación y comparación de experimentos realizados a temperatura ambiente y temperatura fisiológica.
Los nanodiamantes son una nueva clase de nanomateriales de carbono con propiedades únicas, como fluorescencia estable, fácil funcionalización, biocompatibilidad intrínseca y otras propiedades fundamentales de los diamantes a granel. Se han informado muchos estudios sobre nanodiamantes desde la primera síntesis de nanodiamantes en la década de 1960.
Las aplicaciones de nanodiamantes con diferentes tamaños y morfologías incluyen lubricación, bioimagen, almacenamiento de energía, catálisis, biosensores de administración de fármacos y dispositivos de imagen.
Los nanodiamantes tienen excelentes propiedades mecánicas y ópticas, grandes áreas de superficie y estructuras de superficie ajustables. Tampoco son tóxicos, lo que los hace adecuados para aplicaciones biomédicas. Los centros vacantes de nitrógeno en nanodiamantes, junto con la técnica de resonancia magnética detectada ópticamente (ODMR), tienen un significado especial en termometría para aplicaciones biomédicas.
Sin embargo, la técnica ODMR requiere la irradiación de microondas de la muestra de prueba, lo que agrega complejidad a la técnica y requiere un conocimiento de la potencia óptica y de microondas para proporcionar la sensibilidad requerida sin dañar las células.
Sensores cuánticos de nanodiamantes para detectar actividad neuronal
En el presente estudio, se cuantificó por primera vez la correlación entre la actividad neuronal y las fluctuaciones de la temperatura intracelular. Los sensores basados en vacantes de nitrógeno en nanodiamantes se estudiaron mediante técnicas ODMR.
Los resultados mostraron un cambio de temperatura de hasta 1 grado Celsius relevante para el disparo espontáneo inducido por la picrotoxina de las neuronas del hipocampo, o una disminución de la temperatura de 0,5 grados Celsius asociada con el silenciamiento de la actividad neuronal inducido por la tetrodotoxina y la solución de cloruro de cadmio. Así, se confirma la relación entre la temperatura y la actividad celular.
La desinhibición inducida por picrotoxina alteró la excitabilidad celular. Además, dado que no se podía predecir la localización de los nanodiamantes a nivel intracelular o en la membrana plasmática, se esperaba que el aumento de la actividad del potencial de acción alterara la vía intracelular.
Además, la actividad reducida de la red provocó una caída de temperatura con un diferencial de temperatura (∆T) de (−0,50 ± 0,17) grados Celsius. Este método fue adecuado para distinguir la tasa de disparo espontáneo basal de la actividad de red completamente silenciada.
Usando microscopía confocal, se demostró que una exposición de 5 horas de las células a los nanodiamantes fue suficiente para facilitar la internalización de los nanodiamantes. Al mismo tiempo, la forma de onda del potencial de acción no se vio afectada incluso después de la irradiación con microondas y láser. Esto confirmó que el protocolo aplicado, basado en un nanosensor que explota los centros de vacantes de nitrógeno en los nanodiamantes, puede capturar la excitabilidad celular y la función del canal iónico conservada en temperatura.
Conclusión
En resumen, los gradientes de temperatura afectan las actividades metabólicas, las reacciones bioquímicas y los procesos intracelulares a nivel intracelular. El mapeo en tiempo real activado por actividad del gradiente de temperatura intracelular representa una herramienta interesante para monitorear actividades celulares, identificar señalización localizada y como herramienta de diagnóstico.
La técnica ODMR aplicada en el presente trabajo ayudó a monitorear el gradiente de temperatura en las neuronas del hipocampo bajo diferentes condiciones de excitabilidad de la red. La correlación entre los aumentos de temperatura y la actividad de activación alterada en las neuronas del hipocampo cultivadas se demostró utilizando picrotoxina. El fenómeno se observó a nivel de una sola célula utilizando un nanosensor basado en nanodiamantes.
Relación
Petrini G, Tomagra G, Bernardi E, Moreva E, Traina P, Marcantoni A, Picollo F et al. (2022) Los sensores cuánticos de nanodiamantes revelan variaciones de temperatura asociadas con la activación de las neuronas del hipocampo. Ciencias Avanzadas. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202202014
