カーボン量子ドットが切り拓く「細胞温度計測」:細胞内の微小な温度変化を検出

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2025-03-27 大阪大学​

京都工芸繊維大学、大阪大学、東京大学、広島大学の共同研究チームは、カーボン量子ドット(CQD)を用いた新しい蛍光ナノ温度計を開発しました。CQDは主に炭素から構成され、重金属を含まないため、細胞への毒性が低く、バイオセンサーとしての利用が期待されています。本研究では、アントラキノンを骨格とする新規CQDを合成し、青~緑色の発光を示し、蛍光強度・蛍光寿命・比率型の温度計として機能することを確認しました。特に、蛍光寿命型の温度計はpHなどの環境変化に耐性があり、細胞内での温度計測が可能です。実際に、ミトコンドリアの膜電位を脱分極させることで生じる細胞内の温度上昇を計測することに成功し、蛍光強度と蛍光寿命の異なる手法で相互検証することで、信頼性の高い細胞温度計測法を確立しました。この技術により、細胞内部の微小な温度変化を計測でき、細胞活動と温度の関係をより正確に分析することが可能となります。

<関連情報>

細胞内温度測定のための様々な検出モードを持つ炭素量子ドットを用いた蛍光温度計 Fluorescent Thermometers Based on Carbon Quantum Dots with Various Detection Modes for Intracellular Temperature Measurement

Yuki S. Kato,Yukiho Shimazaki,Shunsuke Chuma,Kota Shiraya,Yurina Nakane,Takuma Sugi,Kohki Okabe,Yoshie Harada,and Shingo Sotoma
Nano Letters  Published: March 25, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c06642

Abstract

カーボン量子ドットが切り拓く「細胞温度計測」:細胞内の微小な温度変化を検出

We report that carbon quantum dots (CQDs) synthesized via a hydrothermal process using anthraquinone derivatives and l-cysteine provide versatile detection modes, making them suitable for various experimental setups. By modification of the precursor structures, these CQDs can function as different types of fluorescent nanothermometers, including those based on fluorescence intensity, ratiometrics, and fluorescence lifetime. Notably, fluorescence lifetime-based CQDs demonstrate robust performance under a wide range of conditions, including variations in pH and ionic strength. The CQDs exhibit low cytotoxicity and high cellular uptake efficiency, enabling wash-free imaging and precise fluorescence lifetime-based temperature measurements at the single-cell level. Furthermore, we successfully measured temperature changes associated with biochemical reactions, including the increase in cellular temperature induced by mitochondrial depolarization. In addition, these fluorescence lifetime-based measurements could be cross-verified using their fluorescence intensity. These findings underscore the potential of CQDs as versatile and minimally invasive tools for nanoscale thermometry in live cells.

医療・健康
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