14.09.2020 09:00
Erstmalige Quantenmessung der Temperatur in einem lebenden Organismus
Forscherteam von Humboldt-Universität und Osaka City University ent-wickelt und testet nur wenige Nanometer großen Quantensensor
Plötzlich gesund
Fortschreitende Naturerkenntnis, ganz allgemein gesprochen, ‘Wissenschaft’, ist der stärkste Feind des medizinischen Wunders. Was unseren Vorfahren als Wunder erschien, was einfache Naturvölker heute noch in heftige Erregung versetzt, das berührt den zivilisierten Menschen längst nicht mehr.
Doch es gibt einen Gegensatz, der jedem Denkenden sofort auffällt: der unerhörte, durchaus nicht abgeschlossene Aufstieg der wissenschaftlichen Heilkunde und die ebenso unerhörte Zunahme der Laienbehandlung und der Kurpfuscherei. Man schätzt die Zahl der Menschen, die der Schulmedizin kein Vertrauen schenken, auf immerhin 50 Prozent.
Wie kann es sein, daß Laienbehandler und Kurpfuscher immer wieder spektakuläre Erfolge aufweisen, von denen die Sensationspresse berichtet?
Der Autor geht dieser Frage nach und kommt zu interessanten Erkenntnissen, aus denen er Vorschläge für eine bessere Krankenbehandlung durch seine ärztlichen Standesgenossen ableitet.
Die genaue Messung der Temperatur in lebenden Organismen bei gleichzeitig höchster, räumlicher Auflösung ist sehr wichtig, um Stoffwechselprozesse genau untersuchen zu können. Allerdings war eine solche Messung bislang unmöglich, weil präzise und zuverlässige Nanothermometer oder Nanotemperatursonden fehlten. Das internationale Forscherteam um Prof. Oliver Benson von der Humboldt-Universität zu Berlin und Prof. Masazumi Fujiwara von der Osaka City University hat nun einen nur wenige Nanometer großen Quantensensor entwickelt und mit diesem Temperaturveränderungen in einem Fadenwurm messen können, dem eine pharmakologische Substanz verabreicht wurde. Die Resultate öffnen den Weg für vielfältige Anwendungen der neuartigen Quantensensorik in der biomedizinischen Forschung, z.B. für die Aufnahme hochauflösender Wärmebilder.
Die Wissenschaftler verwendeten in ihrem Experiment kleine Diamanten mit Durchmessern von wenigen 10 Nanometern (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter). Diese Nanodiamanten enthalten leuchtende (fluoreszierende) Quantendefekte, die man unter einem optischen Mikroskop beobachten kann. Mit Hilfe von eingestrahlten Mikrowellen lässt sich die Helligkeit der leuchtenden Quantendefekte verändern. Bei einer ganz bestimmten Mikrowellenfrequenz er-scheinen die Defekte etwas dunkler. Diese so genannte Resonanzfrequenz hängt von der Temperatur ab. Die Forscher konnten nun die Verschiebung der Resonanzfrequenz sehr genau bestimmen und damit die Temperaturänderung am Ort der Nanodiamanten präzise bestimmen.
Die Nanodiamanten wurden in einen Fadenwurm (C. Elegans) eingebracht. C. Elegans ist ein sehr gut verstandenes Modellsystem und wird in vielen biophysikalischen und biochemischen Experimenten untersucht. Durch Gabe einer pharmakologischen Substanz konnten in einzelnen Zellen des Wurms die Mitochondrien, also gewissermaßen die „Kraftwerke” der Zellen, zu erhöhter Aktivität angeregt werden. Dies zeigte sich als eine leichte lokale Temperaturerhöhung von wenigen Grad.
Die Forscher zeigten sich fasziniert von den Ergebnissen des Experimentes. Masazumi Fujiwa-ra, Professor an der Osaka City University: “Ich hätte nie gedacht, dass die neuen Methoden der Quantentechnologie sogar bei lebenden Organismen so gut funktionieren.“
Prof. Oliver Benson von der Humboldt-Universität ergänzt: „Mit diesen vielversprechenden Resultaten sind wir sehr zuversichtlich, dass die Quantensensorik sich auch in der Biochemie und Biomedizin etablieren wird.“
Die Forscherteams arbeiten nun daran, ihre Messmethode weiter zu verbessern und zu automatisieren, damit sie einfach in Standardmikroskopie-Aufbauten integriert werden kann.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Oliver Benson
Nano-Optik
Institut für Physik und IRIS Adlershof der Humboldt-Universität zu Berlin
030 2093 4711
oliver.benson@physik.hu-berlin.de
Originalpublikation:
M. Fujiwara, S. Sun, A. Dohms, Y. Nishimura, K. Suto, Y. Takezawa, K. Oshimi, L. Zhao, N. Sadzak, Y. Umehara, Y. Teki, N. Komatsu, O. Benson, Y. Shikano, and E. Kage-Nakadai, 02 Sep, Vol. 6, no. 36, eaba0959 (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aba9636
https://advances.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/sciadv.aba9636
PM HU: Nanotemperaturmessung in Würmern Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler, jedermann
Biologie, Medizin, Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse
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