Zespół z National Institutes for Quantum Science and Technology, University of Tokyo i Kyushu University opisał molekularne nanosensory kwantowe działające wewnątrz żywych komórek. Czujniki nazwano MoQNs (od ang. molecular quantum nanosensors). Ich konstrukcja opiera się na kubitach spinowych pentacenu umieszczonych w nanokryształach para-terfenylu. Powierzchnię cząstek pokryto Pluronic F127 – surfaktantem polimerowym stosowanym w badaniach biomedycznych do poprawy stabilności materiałów i ich zgodności z układami biologicznymi. Sensory kwantowe wykorzystują właściwości spinowe cząstek, które można odczytywać optycznie. W tym przypadku zastosowano optycznie wykrywany rezonans magnetyczny, czyli ODMR. Zmiany sygnału spinowego pozwalają wnioskować o parametrach otoczenia czujnika, m.in. temperaturze oraz obecności sygnałów powiązanych z rodnikami. Istotna różnica względem wielu wcześniejszych sond polega na tym, że MoQNs są budowane z molekularnych kubitów wprowadzonych do nanokryształu, a nie defektów sieci krystalicznej, jak w przypadku centrów barwnych typu NV, czyli centrów azot-wakancja w nanodiamentach. Taka konstrukcja ma ograniczać zmienność między pojedynczymi cząstkami i ułatwiać bardziej powtarzalny odczyt.

Najpierw sprawdzono, czy cząstki można wprowadzić do żywych komórek bez wyraźnego zaburzenia ich funkcjonowania. Komórki zawierające MoQNs zachowywały integralność błony komórkowej, aktywność metaboliczną i prawidłowy przebieg cyklu komórkowego w zastosowanych testach. Czujnik działający wewnątrz komórki ma wartość biologiczną tylko wtedy, gdy sam nie staje się dominującym czynnikiem uszkadzającym badaną komórkę. Następnie autorzy sprawdzili, czy cząstki zachowują właściwości kwantowe w środowisku komórkowym. W komórkach uzyskano sygnał ODMR, obserwowano oscylacje Rabiego, wykonywano pomiary echa spinowego oraz pomiary czasu relaksacji T₁. Te parametry potwierdzają, że sensory dostają się do wnętrza komórki i nadal mogą pełnić funkcję narzędzi pomiarowych. Dla zwiększenia precyzji termometrii przygotowano także wariant z całkowicie deuterowanym pentacenem, określany jako dMoQNs. Deuterowanie zmieniło oddziaływania elektronowo-jądrowe i poprawiło rozdzielczość widmową odczytu.

Za pomocą dMoQNs wykonano pomiary temperatury w cytoplazmie żywych komórek nowotworowych. Wyniki wskazywały, że temperatura wewnątrz komórek była lokalnie wyższa niż temperatura otaczającej pożywki hodowlanej, a różnice zależały od położenia czujnika. Pomiary rozszerzono także na jądro komórkowe, wprowadzając dMoQNs do jego wnętrza. W pomiarach wewnątrzjądrowych obserwowano lokalną niejednorodność temperatury, co pokazuje, że nawet w obrębie jednej komórki warunki fizyczne mogą różnić się w skali subkomórkowej. Drugi zakres zastosowania dotyczył sygnałów rodnikowych. Po wywołaniu warunków sprzyjających generowaniu rodników za pomocą nadtlenku wodoru sensory rejestrowały zmiany relaksacji i koherencji spinowej w cytoplazmie oraz jądrze. Nie jest to jeszcze pełna, specyficzna identyfikacja poszczególnych reaktywnych form tlenu i azotu, ale pomiar pokazuje, że MoQNs mogą raportować lokalne zmiany środowiska redoks. Może to mieć znaczenie w badaniach nad stresem oksydacyjnym, metabolizmem nowotworowym, uszkodzeniem komórek i odpowiedzią na terapie.

Praca dotyczy pomiarów w modelu komórkowym, głównie w żywych komórkach nowotworowych, a nie gotowego narzędzia diagnostycznego do zastosowania klinicznego. Nanosensory wymagają kontrolowanego wprowadzenia do komórek, specjalistycznego układu odczytu optyczno-magnetycznego i dalszej walidacji w bardziej złożonych modelach biologicznych. Sama obserwacja lokalnych różnic temperatury w komórce nie przesądza jeszcze, jakie procesy metaboliczne odpowiadają za każdy sygnał. Takie powiązanie wymagałoby jednoczesnego śledzenia metabolizmu, pracy mitochondriów, stanu cyklu komórkowego i lokalizacji czujników.

Dotychczasowe platformy, takie jak nanodiamenty z centrami NV, kropki kwantowe czy białka fluorescencyjne, mają dobrze udokumentowane zalety, ale każda z nich ma własne ograniczenia związane z niejednorodnością materiału, wpływem środowiska, toksycznością, specyficznością odczytu lub trudnością ilościowej kalibracji. MoQNs rozszerzają ten zestaw o czujnik oparty na strukturze projektowanej na poziomie molekularnym. Dalszy rozwój takich nanosensorów może być przydatny w biologii komórki, farmakologii i biofizyce. Najbardziej realistyczne zastosowania na obecnym etapie dotyczą badań podstawowych: mapowania lokalnych zmian temperatury, śledzenia reakcji redoks, porównywania komórek zdrowych i nowotworowych oraz sprawdzania odpowiedzi komórek na stres lub leki. Zanim technologia trafi do bardziej rutynowych zastosowań, konieczne będzie dopracowanie sposobu wprowadzania czujników do komórek, kontroli ich lokalizacji, długoterminowej biokompatybilności i interpretacji sygnałów w tkankach lub organoidach. Artykuł w „Science Advances” pokazuje, że pomiar parametrów fizycznych i chemicznych w żywej komórce może być prowadzony z wykorzystaniem czujników kwantowych projektowanych na poziomie molekularnym, a nie wyłącznie klasycznych sond fluorescencyjnych.