热生物学：测量细胞温度

李升伟/编译

热生物学：测量细胞温度

李升伟/编译

●荧光技术和纳米技术的发展，使得测量细胞的温度成为可能，它被称为“热生物学（Thermal Biology）”，本文介绍了最近这方面的进展。

即使是最早的科学家们也知道，温度是一种重要的生命体征，指示着人体的健康与疾病状况。17世纪，意大利生理学家桑克托利沃·桑克托利乌斯（Sanctorio Sanctorius）发明了口腔温度计来测量病人的体温。现在，21世纪的科学家们面临着一项新的、更具挑战性的任务：测量单个细胞的温度。

“温度是一种调节生命的基本物理参数，它决定着发生在生命系统内部所有种类的过程的速度。”米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）说，他是哈佛大学的物理学家，并且已经研发了一种用金刚石作材料的细胞内温度传感器。

然而，尽管温度是一种基本的生命体征，科学家们对于细胞之间和细胞之内温度的变化范围还是知之甚少的。卢金说：“很显然，要可靠地测量细胞内的温度不是一件容易的事，你不可能既把一支尺寸与细胞相比十分庞大的温度计放进细胞内部，又保持细胞的存活。”

但是，在过去五年中，研究人员们已经运用纳米技术制造出了微型化的温度计，可以揭示出不同细胞之间和同种细胞内不同部位间的温度差别。“这个领域的研发到目前为止，我已经（用微型化温度计）鉴定大约2 010个细胞。”葡萄牙阿维罗大学的物理学家路易斯·卡洛斯（Luís Carlos）说道。他正在试验用“相对过热”来杀死癌症细胞。

尽管人体内的温度差异很小，仅在几摄氏度范围内变动，但是研究人员们开始怀疑微小的差异可以改变细胞的化学组成与相关功能，或者可以帮助医生们发现癌细胞生长。于是我们集中介绍一下：温度是如何影响细胞内部的存在状态和相关的几种检测方法。

关注温度变化热点

热源材料：由内山诚一实验室研发的微型荧光温度计设计图。当温度计受凉的时候，它的聚合物主干保持一种开放的结构，水分子可以急速冷却荧光单元并停止其发光（这里为一个星形基团）。当温度上升时，温度计折叠并保护荧光单元远离水，使其可以发光。温度计揭示：培养的猴子细胞的细胞核平均温度比细胞质平均温度高1℃。

研究者：东京大学内山诚一；早稻田大学铃木圆。

目标：温度影响着细胞内部大量的过程，从基因表达到蛋白质之间的交联方式。铃木、内山和他们的同事们着眼于测量细胞不同部位之间温度的细微变化。这样的研究有可能发现热是如何在人体内产生的，也有可能发现温度的局部变化是如何改变细胞的化学结构和属性的。

方法：包含有荧光染料及量子光点或其他发光发热材料的传感器，其光亮度可以由温度的变化而变化。在过去几年中，研究人员们已经发明了细胞可以摄入的微小荧光温度计。借用显微镜，研究人员们可以检测到温度计的发光，从而判断细胞内的温度情况。

内山首次开始对单个细胞内部的温度分布进行作图，在2012年的《自然－通讯》杂志上发表了他设计的荧光聚合物温度计。该温度计由一个粘附在一条聚丙烯酰胺链上的荧光分子组成，其结构随温度的变化而发生改变，从而关闭或打开荧光。它们在猴子肾衍生细胞株中的实验证明：细胞核比细胞质温度高并且线粒体释放出大量的热量。

内山还发表了其他的荧光传感器设计，距今最近的2015年研发了一种更快的荧光聚合体温度计，其作用机理取决于温敏性荧光体与抗温敏荧光体的组成比例。他们使用这种传感器来测量人体胚胎肾细胞内的温度，发现细胞核的温度大约比细胞质的温度高1℃。

当铃木第一次开始设计温度计时，他将一个顶部粘附有荧光染料的玻璃微针轻柔地压迫在细胞膜上，观察荧光是否随温度升高而有所改变。最后，他和他的同事们开始做实验来制作可以导入细胞内部的荧光纳米粒子。因为温度可以改变荧光分子的亮度，所以荧光分子不能暴露在细胞的化学环境中。“纳米温度计应该能够读出温度的变化，而对于（其他的）环境改变则不做出反应。”铃木说。

为了保护荧光探针分子，研究人员们把这些荧光分子植入到一个疏水聚合物内，然后把这个疏水核包埋在一个壳形的亲水聚合物内，制作成平均直径为140纳米的颗粒。为了防止错误的反馈，铃木使用了两种类型的荧光体：一种对热敏感，另一种则不。通过测量两种荧光体亮度的比值，该团队发现：用一种化学品刺激培养中的人类癌症细胞后，细胞会产生热，并且不同部位放热量各不相同。

铃木团队于2015年建立了一种单分子温度计，它由一种黄色荧光的且明确靶向线粒体的染料组成。此线粒体是细胞内的产热引擎。另一种小分子温度计靶向内质网。这种内质网是一种能帮助细胞产热的细胞器。相关论文发表于2014年。

铃木希望有朝一日能够研发出有如下性能的细胞内温度计：能够有更快的应答时间和更强的温度敏感性。这样，他们可以确定细胞内产热的其他热点部位。最近他说，他正在努力改进传感器，使之能够捕捉到热的微小爆炸及知晓它的扩散速率。“线粒体和内质网被认为是热源，”铃木说，“肌肉细胞内的肌动球蛋白也是热源，应该还有其他的、我们还没有想象得到的热源。”

用金刚石做发光材料

珠光宝气的细胞：米哈伊尔·卢金和他的同事们用激光照射已导入到细胞内的纳米金粒子来加热细胞，通过检测纳米金刚石内缺陷的自旋态来测量细胞的内部温度。

研究者：哈佛大学米哈伊尔·卢金。

目标：卢金和他的合作者们梦想使用细胞内温度来将健康细胞从疾病细胞中分选出来，并且通过加热它们或者冷却它们来控制细胞。“这为研究开辟了许多的可能性。”他说。

方法：卢金是一位物理学家，他另辟蹊径，不用荧光染料或聚合物，而是用金刚石纳米晶体来制作温度计。他解释说：“我们的基本思路是使用金刚石内的量子缺陷即所谓的氮空位中心机理在制作温度计。这种氮空位是一种用氮替代碳的缺陷。”

氮空位中心拥有原子旋转状态，当用光、磁场或温度干扰时会改变方向。“如果纳米晶体的温度改变，会发生的是纳米晶体内碳原子之间的距离有少许改变，从而改变了电子的旋转状态。”卢金说。当研究人员们向金刚石纳米晶体上照射一束激光时，氮替代碳的缺陷会发光，同时因它们的旋转状态和温度不同而发射出不同的荧光。

为了检验他们方法的有效性，研究人员还将黄金纳米粒子导入到细胞内，并用激光加热粒子。经过这样的改进，卢金和他的团队不仅可以控制细胞的温度，还可以监测细胞温度控制是如何进行的。2013年，这些研究者发现他们可以检测到小到0.001 8℃的温度变化。

卢金和合作者们目前正在使用温度来探索蠕虫的发育机理并试图影响其发育机理。

“它使得你可以选择性地调节细胞内的各种过程，”他说，“它可以使得你加速一些过程的发育同时减速其他过程的发育，或者当你不需要这种特殊细胞再具有某种生理功能时杀死该细胞。”

癌症杀手

多用途微珠体：米兰和卡洛斯已经设计了一颗微小的珠子，它既可以加热细胞又可以测出它们的温度来。荧光离子显示温度的变化。它们包裹磁性纳米粒子，在暴露于磁场时可以为纳米粒子提供热能。为了起到保护作用，一个聚合物外壳把连接在一起的加热器和温度计包裹在内部。

研究者：葡萄牙阿维罗大学路易斯·卡洛斯（Luís Carlos）；西班牙萨拉戈萨大学阿拉贡材料科学研究所安吉尔·米兰（Angel Millán）。

目标：卡洛斯和米兰正在试着杀死肿瘤，通过选择性地向癌症细胞施加能致死的高热，制造温度梯度以破坏生物分子和触发细胞死亡。但是，使用过热来杀死癌细胞越来越难以把握，因为缺乏一种良好的方法来保证癌细胞得到足够的热而周围组织则保持相对的冷却。

方法：卡洛斯和米兰最近设计了一种纳米粒子，既是一种加热器又是一个温度计。研究人员们希望既加热细胞又测量它的温度，方法是功能化不同部分颗粒使其完成两种不同的任务。卡洛斯和米兰想要保证他们在精确地测量热源部位的温度时，热量可以在细胞内狭小的空间快速消散掉。“如果我们没有真正与加热器相连接的温度计，我们就不可能测量到有效的局部温度。”卡洛斯说。

加热器由一个磁珠构成，当其暴露在磁场中时就会热起来。温度计由两个荧光离子构成，其中之一随温度变化亮度也随之变化。这些都被封闭在一个聚合物壳内。

目前已经有临床试验检测使用磁珠诱导加热来杀死癌细胞。但是，研究人员们认为，有了他们的组合型的加热器－温度计，他们可以更加精准地加热细胞，在减少可用纳米粒子的数量的同时，又能有效地杀死肿瘤。

“如果你将纳米粒子特殊处理后嵌入到癌细胞内部，可能只需要少量就足以诱导癌细胞死亡。”米兰说。研究人员们目前正在培养物中加热其细胞并监测它们的温度和反应。

深入到皮肤内部

深入皮下：杰克和他的同事们已经制作了一种可以感受皮肤下温度的纳米温度计（上图左上部）。温度计是由温度敏感性量子点和温度不敏感性荧光纳米粒子组成的，全部嵌入在一种具有兼容性的生物聚合物中。纳米温度计的透射电子显微镜图像（上图左下和右部）。

研究者：马德里自治大学丹尼尔·杰克（Daniel Jaque）。

目标：杰克小组希望建立方法来测量动物的皮下温度，最终实现人体组织在体温度测量，而使用的温度传感器发出穿越肉体的荧光信号。

方法：大多数纳米温度计有一个重大的局限性：它们只发出可见光范围的光波。这项工作的细致化实现了在培养物中观察细胞，甚至于在相对透明的生物体模型如蠕虫体内观察细胞。但是，可见光不能告知研究人员更多关于完整的、不透明生物体内的皮肤下面的细胞所发生的故事。其间，大多数的红外光谱可以被充满在组织内的水所吸收。

但是，有些波长范围的光波可以渗透入组织并且克服水吸收的难题。波长在650至950纳米之间的光波是接近红外线的红光，它被认为是一扇供科学家们行之有效地开展对生物学研究的窗户。波长在1 000至1 350纳米之间的红外光则为科学家们打开了第二扇“生物学之窗”。

杰克和他的同事们正在研发的一种使用荧光技术的温度计，它们可以被这些“特定波长的光”激发并得出温度的数值。最近，杰克带领博士后埃玛·马丁·罗德里格斯（Emma Martín Rodríguez）和其他同事设计了一种温度计，在第一波长段被激发并发射出第二波长段内的信号。

这种温度计的组成一部分是量子点群，其荧光发光性随温度的上升而被淬灭，第二部分是对温度不敏感的荧光纳米粒子群，二者都被包裹在一种被称为FDA的聚合物之内。

有了目前的这些技术，就可能感受到动物皮肤下大约1厘米深浅处的温度。但是为了能够将这些成果转化为相关人体的医学应用，研究人员们将需要检测到更深处的温度。“我们还刚刚处在历史的开始阶段。”杰克说。

最后，杰克希望使用纳米温度计来帮助对癌症的热治疗。“你导入纳米粒子到你的体内后，它会给出机体温度的实时测量值。”他说，然后在你加热肿瘤时，“你可以调节治疗装置温度从而不至于灼伤机体。”

温度的困惑

对2012年《自然－通讯》杂志内山诚一论文载图中描述的高水平产热问题，巴富表示反对。图像显示在活猴细胞内线粒体附近的大型局部温度峰值（白色箭头）。字母N指示细胞核。

包括铃木圆和内山诚一在内的研究人员最近测量到了活细胞内实质性的温度增加。在这些案例中，尽管缺乏任何对细胞的外来加热，温差仍然达到了几个摄氏度。2014年9月，一组法国的研究人员对此发现提出了疑问，他们从2014年到2015年发表了时间跨度长达一年的观察研究。法国小组进行了统计学计算，似乎证明了单个细胞不可能有足够的能量来如此快速地对其自身产生这样巨大的温度变化。“葡萄糖是一种细胞内分子也是能量的来源，”来自艾克斯·马赛大学菲涅耳研究所的共同作者吉列姆·巴富（Guillaume Baffou）说，“如果你用葡萄糖填满细胞的整个体积，然而这显然是不太可能的。同时如果你将葡萄糖燃烧掉，你也不会使得温度增加1℃。”

“如果我们应用传统的热力学法则，我们会得出这样的结论，细胞内部反应不会产生大约1℃的细胞内温度变化，”葡萄牙阿维罗大学的路易斯·卡洛斯表达了自己的认同，“但是，从实验结果来说，有几项来自世界各地的研究者完成的工作表明存在超过1℃的温度差异。”

一种可能性是：研究人员观察到细胞内巨大的温度增加简单地说只是在制造实验误差。“另外一种假设是微米和纳米级尺度的热传递问题，并不能用传统热力学进行良好的描述。”卡洛斯说。

铃木同意这样的说法：在没有外来热输入的情况下，不可能有整个细胞变热达1℃。但是，“计算应该不考虑像水球一样的整个细胞的温度，而是考虑细胞内部一个微小的体积产生热量即在此基础上的测量温度。”铃木说，下一步将是测量活细胞的热传导性，并保证它们的细胞器和蛋白质遍及其内部。这可能有助于解释局部细胞是否可以加热及如何来加热，而整个细胞并没有经历根本性的温度变化。

“热生物学（Thermal biology）仍然处于其婴儿期，”巴富说，“我们希望得到一张整个细胞的可靠的温度分布图。”

[资料来源：The Scientist][责任编辑：遥醒]