Revoluční senzor dokáže měřit pH uvnitř živých buněk s nevídanou přesností

Novou generaci nanosenzorů schopných detekovat pH uvnitř živých buněk s dosud nevídanou citlivostí a stabilitou vyvinul tým vědců z CATRIN Univerzity Palackého v Olomouci a VŠB – Technické univerzity Ostrava ve spolupráci s kolegy z Vysokého učení technického v Brně. Senzory na bázi uhlíkových teček představili v časopise Biosensors and Bioelectronics.

Hodnota pH je jedním z nejčastěji měřených chemických parametrů, ale vývoj nanometrických senzorů schopných přesně zmapovat distribuci a dynamiku pH s vysokým prostorovým a časovým rozlišením zůstává významnou výzvou. Takové senzory jsou životně důležité pro naše chápání četných fyziologických a patologických procesů.

„Hledali jsme způsob, jak sledovat dění uvnitř buněk s mnohem vyšší přesností, než jakou umožňují současné sondy. Vyvinuli jsme senzor, který je malý, jasně svítící, velmi stabilní a dokáže sledovat změny pH v mimořádně širokém rozmezí.  Senzory nejen září pod mikroskopem, ale také detekují změny pH na základě doby životnosti fluorescence, což je přesnější a spolehlivější parameter než běžná intenzita světla,”  vysvětlil první autor studie Sergii Kalytchuk z CATRIN a Materiálově-environmentální laboratoře (MEL) na VŠB–TUO.

CATRIN: Revoluční senzor dokáže měřit pH uvnitř živých buněk s nevídanou přesností

Na rozdíl od běžných fluorescenčních senzorů pH, které trpí fotoblednutím, chemickým rozkladem a často vyžadují kalibraci, si nové nanosenzory RhB-CD udržují vynikající výkon i v náročných podmínkách. Doba jejich fluorescence se předvídatelně prodlužuje s rostoucím pH, což umožňuje přímé měření buněčné kyselosti – klíčového parametru, jehož výkyvy úzce souvisí s chorobnými procesy, jako je rakovina a neurodegenerace.

„V experimentu s lidskými kožními buňkami a pomocí pokročilé mikroskopie založené na měření doby životnosti fluorescence (FLIM) umožnily senzory přesně zmapovat pH uvnitř lyzozomů, což jsou zjednodušeně řečeno recyklační a úklidové jednotky buňky. Navíc bylo možné detekovat změny pH po aplikaci chemických inhibitorů, což otevírá možnosti pro testování léčiv i sledování stresu v buňkách v reálném čase,” uvedl další z autorů Tomáš Malina.

Myšlenka senzoru vznikla na pomezí syntetické chemie a fyziky, ale právě jeho využití v biomedicíně dává celé práci širší význam. „Studie ukazuje, jak lze propojit základní materiálovou chemii se skutečnými biomedicínskými výzvami. Díky výjimečné fotostabilitě, biokompatibilitě a extrémně širokému pH rozsahu mají tyto senzory velký potenciál stát se účinným nástrojem pro základní výzkum, diagnostiku i budoucí klinické aplikace.“ uzavřel korespondenční autor článku Radek Zbořil.

Originální článek

pH sensing and imaging in living cells based on fluorescence lifetime of carbon dot nanosensors

Sergii Kalytchuk, Tomaš Malina, Filip Mravec, Kateřina Poláková, Lukáš Zdražil, Štěpan Kment, Andrey L. Rogach, Michal Otyepka, Radek Zbořil

Biosensors and Bioelectronics, Volume 291, 1 January 2026, 118022

https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.118022

licensed under CC-BY 4.0

Abstrakt

Hodnota pH je jedním z nejčastěji měřených chemických parametrů, avšak vývoj senzorů v nano měřítku schopných přesně mapovat distribuci a dynamiku pH s vysokým prostorovým a časovým rozlišením zůstává významnou výzvou. Takové senzory jsou nezbytné pro prohloubení našeho porozumění četným fyziologickým a patologickým procesům. Senzory na bázi nanočástic, běžně označované jako nanosenzory, představují slibnou třídu optických senzorů, přičemž sondy založené na fluorescenci nabízejí vynikající citlivost a kvantitativní spolehlivost. Stávající pH nanosenzory, založené na životnosti fluorescence, jsou však náročné na syntézu a často trpí špatnou biokompatibilitou, úzkým rozsahem odezvy pH, nízkou stabilitou a výkonem závislým na kalibraci. Zde překonáváme tato omezení zavedením vodou dispergovatelného pH nanosenzoru založeného na fluorescenční životnosti koloidních uhlíkových teček (CD) odvozených prostřednictvím jednostupňové reakce z jediného prekurzoru - rhodaminu B. Tyto CD jsou biokompatibilní, netoxické a stabilní v silně kyselých/zásaditých podmínkách, což je činí vhodnými pro intracelulární aplikace. Vnitřní doba života fluorescence těchto CDs vykazuje pseudolineární, samoreferenční odezvu v mimořádně širokém rozsahu pH (1–11), která je způsobena pH indukovanými transformacemi jejich elektronické struktury docházejícími během protonace a deprotonace povrchu CD. Pomocí kvantitativního zobrazování pH s mikrometrovým rozlišením prostřednictvím fluorescenční mikroskopie s dlouhou dobou života dokazujeme, jak jsou CD preferenčně sekvestrovány v lyzozomech lidských kožních fibroblastů, což umožňuje přesnou kvantifikaci změn pH indukovaných inhibitory v těchto organelách. Naše zjištění zdůrazňují významný potenciál nanosenzorů CD pro přesné monitorování lyzozomálního pH v živých buňkách, což nabízí široké využití v biomedicínském výzkumu a potenciálních studiích buněčné dysfunkce související s pH.