درجة الحرارة هي أحد المؤشرات الرئيسية لحالة النظام البيولوجي. إذا أصيب شخص ما بعدوى ، فإن درجة حرارة جسمه ترتفع (عادة ، ولكن ليس دائمًا) ، وهي علامة على استجابة الجهاز المناعي للتهديد. بمعنى آخر ، يمكن استخدام درجة الحرارة لتحديد الحالة التقريبية للجسم. تكمن المشكلة في أن الشخص كبير (حرفيًا) ، ولكن ، على سبيل المثال ، يبلغ طول الديدان الخيطية حوالي 1 مم فقط. كان من الصعب للغاية قياس درجة حرارة مثل هذا الكائن الصغير ، لكن علماء من جامعة أوساكا (اليابان) طوروا منهجية لحل هذه المشكلة. ما الوسائل التي تم استخدامها لتنفيذ مقياس الحرارة النانوي ، وما التجارب العملية التي أوضحتها ، وأين يمكن استخدام هذا التطور؟ سنجد إجابات لهذه الأسئلة في تقرير العلماء. اذهب.
أساس البحث
تختلف درجة حرارة الجسم للكائن الحي تبعًا لدرجة تأثير العوامل الداخلية والخارجية. لقد اعتدنا على حقيقة أن درجة الحرارة المحيطة تؤثر بشكل مباشر على درجة حرارة الأشخاص ذوى الدم البارد ، لذلك تتغير قيمها بانتظام يحسد عليه. ومع ذلك ، حتى في الحيوانات ذوات الدم الحار في ظل الظروف الفسيولوجية العادية ، لوحظت تقلبات في درجات الحرارة ، والتي يمكن أن ترتبط بالتنظيم الحراري المتماثل واستقلاب الطاقة.
بعبارة أخرى ، النكتة رائعة هنا: "أنا لا أعبث ، أنا شخص مشغول جدًا على المستوى الخلوي." من خلال قياس درجة الحرارة وديناميكياتها بدقة على مقياس دون الميكرون ، يمكن الحصول على الكثير من المعلومات المتعلقة بالنشاط الخلوي والجزيئي. تكمن المشكلة في أنه كلما انخفض موضوع القياس ، يزداد تعقيد سلوكه (من الصعب وضع مقياس حرارة عادي من صيدلية في دودة خيطية).
لاحظ مؤلفو الدراسة أن موازين الحرارة الكهربائية التقليدية لا تحتوي على دقة تحت الميكرون ، وعادة ما يساعد التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء القريبة في تحديد درجة حرارة سطح العينات البيولوجية ، ولكن ليس درجة الحرارة الداخلية.
بالطبع ، هناك بالفعل مقاييس حرارة نانوية تبعث الضوء (على سبيل المثال ، مجسات جزيئية حساسة للحرارة) يمكنها التغلب على هذا القيد. لكن هذه التقنية لها أيضًا عيوب. العامل الرئيسي هو الاستقرار طويل الأمد ، أو بالأحرى غيابه. لا تستطيع هذه الأجهزة قياس التغيرات في درجات الحرارة بدقة والتي تستغرق وقتًا طويلاً (قل بضع ساعات). ناهيك عن التأثير السام على العينة من مقياس الحرارة هذا.
في هذا العمل ، يصف العلماء مفهوم مقياس الحرارة الكمي بالماس النانوي (ND من الماس النانوي ) ، والذي يتميز بالدقة العالية والقوة وانخفاض السمية. مبدأ تشغيلها هو كما يلي: يقرأ المستشعر درجة الحرارة على أنها تحول في التردد للرنين المغناطيسي القابل للكشف بصريًا (ODMR منالرنين المغناطيسي المكتشف بصريًا ) للمراكز المعيبة لشواغر النيتروجين (NV من فراغ النيتروجين ) ، والذي ينشأ بشكل أساسي بسبب التمدد الحراري للشبكة. جوهر مستشعر NV مضمن بعمق في الشبكة الماسية وهو محصن ضد العوامل البيئية البيولوجية المختلفة. إن إدخال هذا المستشعر الكمومي في كائنات أكثر تعقيدًا يجعل من الممكن قراءة نشاطها الحراري في موقع معين في الوقت الفعلي. لكن عملية تنفيذ مثل هذه التقنية محفوفة بعدد من الصعوبات.
النيماتودا (الدودة المستديرة) من أنواع Caenorhabditis elegans .
الكائنات النموذجية متعددة الخلايا مثل الديدان Caenorhabditis elegans، تحتاج إلى غرفة خاصة يمكن أن تستوعب جسمًا بحجم ملليمتر ، والعينات نفسها تحتاج إلى تحليل سريع للحفاظ على حالتها الفسيولوجية. تتحرك موازين الحرارة الكمية ND أسرع بكثير من الخلايا المزروعة ، حتى لو كان الجسم يعاني من الجفاف ، مما يتطلب خوارزمية سريعة لتتبع الجسيمات. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الحركة الموضعية لـ ND والهيكل المعقد للجسم تسبب تقلبات كبيرة في شدة التألق المكتشفة ، والتي من المحتمل أن تسبب نتائج قياس درجة الحرارة. يرتبط حل هذه المشكلات في هذه المرحلة من الدراسة بتكييف الجهاز مع الخصائص الفردية للعينة التي تم تحليلها. تم التخطيط لمسألة التنوع وسهولة إعداد مقياس الحرارة النانوي المستقبلي في الأعمال المستقبلية ،في غضون ذلك ، تم الاهتمام بالمفهوم نفسه والمبادئ الأساسية للعمل.
, .
أساس مقياس الحرارة النانوي هو مجهر مضان متحد البؤر مجهز بوحدة تشعيع بالميكروويف (1A).
الصورة رقم 1
يمكن قياس ODMR للوظائف الشاغرة من النيتروجين على أنه انخفاض في شدة التألق الناجم عن الليزر عند تطبيق إثارة الموجات الدقيقة بالرنين الدوراني ، حيث تنشط إثارة الدوران مسار الاسترخاء غير الفلوري من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية ( 1B ).
حجرة العينة عبارة عن طبق سفلي زجاجي يمكن التخلص منه مدمج في الهوائي يوفر وصولاً بصريًا كبيرًا (قطره 12 مم) وسهولة الاستخدام ( 1 درجة مئوية ) مناسب للعينات الحساسة مثل الخلايا الجذعية. الوقت من القبض على الدودةCaenorhabditis elegans قبل 15 دقيقة فقط من القياس الفعلي. يساعد هذا في الحفاظ على الدودة حية وتوفر المزيد من البيانات حول صحتها.
بالإضافة إلى ذلك ، يدمج النظام بشكل فعال تتبع الجسيمات السريع وتقدير درجة الحرارة في الوقت الحقيقي عالي الدقة من NV Center offset ODMR.
في تتبع الجسيمات ، يقيس النظام شدة مضان ND على طول محاور xyz للميكروسكوب ويركز على الحد الأقصى من التألق المقابل كل 4 ثوانٍ (فترة تعقب أقصر ممكنة) ، والتي يتم خلالها تقدير درجة الحرارة بوقت أخذ العينات من 0.5 إلى 1.0 ثانية. ( 2 أ ).
الصورة رقم 2
هناك عدة طرق لقياس الحرارة الكمومية ، ولكن في هذا العمل تم استخدام طريقة القياسات من أربع نقاط ODMR. تفترض هذه الطريقة أن عدد الفوتونات المكتشفة في جميع الترددات الأربعة المحددة يتم تحجيمها خطيًا وفقًا للتغيرات في شدة التألق المكتشفة.
ومع ذلك ، فقد وجد أن كل فوتون لاحق يظهر اختلافًا في حساسية الضوء بحوالي 0.5٪ ، مما يخلق بالفعل نتائج مهمة في تقدير انزياح التردد (أي i.e.300 كيلو هرتز ، والذي يتوافق مع عدة درجات مئوية) ، خاصة في وضع الفوتون المنخفض.
من المرجح أن تكون هذه القطع الأثرية ناتجة عن عدم تناسق يعتمد على القدرة الضوئية في طيف ODMR. لقياس درجة حرارة الأنظمة الديناميكية الضوئية المعقدة (أي الأنظمة البيولوجية) بدقة ، من الضروري التخلص من هذه القطع الأثرية. لذلك ، تمت إضافة مرشح تصحيح الخطأ إلى طريقة القياس المكونة من أربع نقاط.
لتقييم تشغيل النظام ، إلى جانب تصحيح الخطأ ، تم إجراء قياسات في الوقت الفعلي لدرجة حرارة ND أثناء الأحداث الحرارية المتدرجة. لا يمكن استخدام التغيرات المفاجئة في درجة الحرارة ، لأن التغيرات المفاجئة في درجة الحرارة تسبب إلغاء تركيز كبير للبقع البؤرية والتقلبات المرتبطة بها في شدة التألق.
في 2B يظهر لمحات الوقت من إجمالي عدد الفوتونات (I طفل) وتقدير درجة الحرارة ND (∆T NV ) عندما تتغير درجة حرارة العينة (T S ) من 44.3 ° → 30.4 ° → 44.3 ° بخطوة ∼2.8 °. يقوم النظام بإخراج ∆T NV بدقة ، المقابلة لـ T S ، بينما يتحرك موضع التركيز بشكل كبير ، خاصة على طول المحور z على مسافة تزيد عن 30 ميكرومتر ( 2C ).
بخطوة 3 درجات ، يظهر تحول موضعي 6 ميكرومتر في المحور z في غضون 3-4 دقائق ، لكن سرعة التتبع عالية بما يكفي لمتابعة ديناميكيات 105 نانومتر / ثانية لمدة 96 دقيقة ( 2 درجة مئوية ).
علاوة على ذلك ، يوضح ∆T NV بوضوح عدم الارتباط مع I tot... تحدد دراسة إحصائية لهذا النوع من الاعتماد على درجة الحرارة متوسط قيم SD: I tot -1 dI tot / dT = -3.9 ± 0.7٪ / ° و dD / dT = - 65.4 ± 5.5 kHz / ° C ( 2D ). دقة قياس درجة الحرارة ± 0.29 درجة و <0.6 درجة مئوية على التوالي ، مما يعطي حساسية 1.8 درجة مئوية / √ هرتز.
بعد تحقيق مقياس حرارة موثوق ودقيق في الوقت الفعلي كجزء من مرحلة التطوير ، تم إجراء اختبار مراقبة درجة الحرارة المحلية على الديدان الحية.
تظهر الصورة №3 في
الصورة 3A ديدان ND مخدرة بالداخل ، موضوعة بالقرب من هوائيات الميكروويف. هذه NDs مشتتة جيدًا في الماء بسبب التشغيل السطحي للبولي جلسرين (PG frompolyglycerol ) ويتم إدخالها عن طريق الحقن المجهري في الغدد التناسلية (الغدد التناسلية للديدان التجريبية). يوضح
الرسم البياني 3 ب طيف ODMR لوحدة ND واحدة (مميزة بسهم عند 3 أ ). 3C يظهر لمحات وقت I TOT وΔT NV على مدى فترة من 1 ساعات، حيث درجة الحرارة T S يتغير .
أولاً ، تم قياس T obj عند 33.2 درجة مئوية ، بعد 6 دقائق ، تم إجراء انخفاض إلى 25.3 درجة مئوية. ونتيجة لذلك ، وصلت طوبج إلى 28.6 درجة مئوية في 35.2 دقيقة. أظهرت ∆T NV تغيرًا دقيقًا في درجة الحرارة بين حالتين ثابتتين: 33.2 و 28.6 درجة مئوية.
يتم عرض عرض الديناميات الحقيقية لدرجة الحرارة داخل الديدان بين هاتين الحالتين المستقرتين نظرًا لحقيقة أن ∆T NV دائمًا ما يتخلف عن T S ويظهر استجابة أقل من الواقع قليلاً بسبب السعة الحرارية المحدودة لهدف المجهر والبيئة. يُظهر I tot أيضًا التغيرات التدريجية في شدة التألق الناتجة عن درجة الحرارة.
كان تتبع الجسيمات مرضيًا أيضًا ( 3C ). في غضون 0-15 دقيقة ، تُظهر الفوتونات المحسوبة رشقات نارية متكررة بسبب التقلبات الموضعية في ND عند حوالي 400 نانومتر لعدة ثوانٍ.
تشير نتائج الاختبار بوضوح إلى الدقة العالية لقياس درجة الحرارة داخل النظام البيولوجي النانوي في الوقت الفعلي. علاوة على ذلك ، تقرر إجراء اختبارات إضافية ، قبل أن خضعت الديدان التجريبية للعلاج الدوائي باستخدام C 10 H 5 F 3 N 4 O (FCCP من كاربونيل سيانيد -4 (ثلاثي فلورو ميثوكسي ) فينيل هيدرازون ) ، مما تسبب في توليد حرارة غير متحرك (بالمعنى التقريبي ، زيادة في درجة الحرارة بسبب زيادة التمثيل الغذائي وبدون نشاط عضلي إضافي).
تظهر الصورة №4 في
الصورة 4A الديدان ND التي تحفزها FCCP. ويظهر المخطط 4B ملف تعريف الوقت لـ ∆T NVND ملحوظ بسهم في الصور.
في الدقيقة السابعة بعد بدء القياس ، تم استخدام محلول FCCP. في الدقيقة الثانية والثلاثين ، تبدأ ∆T NV في الزيادة تدريجياً ، وفي الدقيقة 48 ، تُلاحظ زيادة إضافية أكبر عندما يرتفع مستوى تغير درجة الحرارة من 4 إلى 7 درجات مئوية. استمرت الحمى حوالي 80 دقيقة.
أثناء التحفيز ، يتم تحريك NDs ببطء لبضعة ميكرومتر على مدار ساعة ، مما يؤكد نتائج التجارب المنفصلة التي لوحظت فيها NDs باستمرار تحت المجهر.
أظهرت مجموعة التحكم من الديدان ( 4C و 4 D ) ، والتي لم يتم حقنها باستخدام FCCP ، استجابة موحدة T NV طوال الاختبار دون أي تغيرات واضحة في درجة الحرارة.
وللتأكيد كذلك على أن FCCP يؤدي بالفعل إلى زيادة درجة حرارة الجسم في الديدان ، تم إجراء تقدير كمية الديدان التي تحمل علامة ND في كل من مجموعات التحكم والمعالجة ( 4E ). يشير الرسم البياني بوضوح إلى زيادة درجة الحرارة في الديدان من المجموعة التجريبية مقارنة بمجموعة التحكم.
تُظهر تجربة تحكم أخرى ، لم تتم إضافة أي مخزن مؤقت فيها وتم رصد ∆T NV بشكل ثابت ، أن إضافة منشط يتسبب في تقلب ∆T NV عند مستوى معين ، إما بسبب تغيرات درجة الحرارة أو بسبب تحولات ODMR. ومع ذلك ، فإن ملاحظة مثل هذا التحول مستحيلة مع إضافة FCCP ، مما يؤكد بالإضافة إلى ذلك الزيادة في درجة الحرارة بسبب FCCP في المجموعة التجريبية من الديدان ( 4F).
لمعرفة أكثر تفصيلا مع الفروق الدقيقة في الدراسة، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء و مواد إضافية لذلك.
الخاتمة
في هذه الدراسة ، تمكن العلماء من تطوير تقنية تسمح لك بقياس درجة الحرارة بدقة داخل نظام بيولوجي نانوي في الوقت الفعلي. بعبارات مبالغ فيها ، تمكنوا من قياس درجة حرارة الجسم لدودة Caenorhabditis elegans ، والتي يبلغ طولها حوالي 1 مم.
من المهم أن نفهم أنه من الأسهل بكثير قياس أي شيء في عينة كبيرة مقارنة بعينة صغيرة. ومع ذلك ، فإن استخدام الماس النانوي المحقون في جسم الديدان جعل من الممكن معرفة درجة حرارة جسم الدودة في ظل الظروف العادية. تدخل هذه الماسات النانوية داخل الجسم ، وتبدأ في التحرك بسرعة. أتاحت خوارزمية مطورة خصيصًا ومجهر مضان متحد البؤر تتبع حركتها وتحليلها. أتاحت البيانات التي تم الحصول عليها تحديد درجة حرارة جسم الدودة ودينامياتها بدقة ، حتى بعد إدخال مادة خاصة تسببت في زيادة درجة الحرارة.
لا يُظهر هذا العمل أن التقنيات الكمومية يمكن وينبغي تطبيقها في علم الأحياء فحسب ، بل يوسع أيضًا نطاق الاحتمالات في جانب تشخيص العمليات المختلفة على المستوى الكلي. في كثير من الأحيان ، تعتمد حالة النظام البيولوجي بشكل مباشر أو غير مباشر على العمليات التي تحدث داخل الخلايا ، والتي كان من الصعب للغاية قياسها في الوقت الفعلي في السابق. بعد تلقي مزيد من المعلومات حول العناصر المكونة للنظام ، يمكنك فهم النظام نفسه بشكل أفضل ، والذي سيسمح لك بالطبع بالتأثير بشكل أكثر فعالية على تشغيله.
شكرًا لاهتمامكم ، ابقوا فضوليين واستمتعوا بعطلة نهاية أسبوع رائعة يا رفاق! :)
قليلا من الدعاية
أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المحتويات الشيقة؟ ادعمنا من خلال تقديم طلب أو التوصية للأصدقاء ، VPS السحابي للمطورين من 4.99 دولارًا ، وهو تناظرية فريدة من الخوادم على مستوى المبتدئين التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 مراكز) 10 جيجابايت DDR4 480 جيجابايت SSD 1 جيجابت في الثانية من 19 دولار أو كيفية تقسيم السيرفر بشكل صحيح؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 وما يصل إلى 24 مركزًا وذاكرة DDR4 تصل إلى 40 جيجابايت).
هل Dell R730xd 2x أرخص في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960 جيجا بايت SSD 1 جيجا بايت في الثانية 100 تيرا بايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية للمبنى. فئة مع خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل فلس واحد؟