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很早之前科学家们就知道温度是重要的生命体征，标志着你是健康的还是生病了。17世纪，意大利生理家Sanctorio Sanctorius为了检测患者温度，发明了口腔温度计，时间过去了400年，科学家们又给自己制定一个新的更具挑战性的任务——检测单个细胞的温度。
生物通报道：很早之前科学家们就知道温度是重要的生命体征，标志着你是健康的还是生病了。17世纪，意大利生理家Sanctorio Sanctorius为了检测患者温度，发明了口腔温度计，时间过去了400年，科学家们又给自己制定一个新的更具挑战性的任务——检测单个细胞的温度。
“温度是身体调控一种基本的物理参数，”来自哈佛大学物理学家Mikhail Lukin说，他发明了一种基于金刚石的胞内温度传感器，“它决定活体系统中各种进程的速度。”
然而虽然温度很重要，但科学家们对细胞内和细胞间的温度如何变化知之甚少，“要想准确检测细胞内的温度，那可不容易，”Lukin说，“因为如果要保持细胞的活性，你无法在那里放置一个大的温度计”。
不过近五年里，研究人员利用纳米技术创造了能揭示细胞间和细胞内温度差异的微型温度计。“我记得是2010年左右，这一研究领域爆发了”来自葡萄牙阿威罗大学的Luís Carlos教授（其研究组尝试利用热来杀死癌细胞）说。
体内细胞温差虽然最多也只有几度，但是研究人员现在怀疑这种微小差异能改变细胞的化学特性和功能，或者帮助医生关闭肿瘤的生长。那么到底如何能了解细胞内的温度呢？
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研究者：东京大学的Seiichi Uchiyama，早稻田大学的Madoka Suzuki
研究目的：温度会影响细胞中从基因表达到蛋白质-蛋白质相互作用的多个进程，Suzuki, Uchiyama和他们的同事希望能找到测量细胞不同部位之间温度的细微变化，从而揭示体内热量如何产生的，以及温度局部变化对细胞化学的影响。
研究方法：他们采用的传感器含有荧光染料、量子点或其他发光材质，用于标识温度的变化。在过去几年间，这一研究组一直致力于这方面的研究，他们构建了可以进入细胞的荧光温度计。这样通过显微镜，研究人员就可以检测温度计的发光，从而了解细胞内的温度。
2009年，Uchiyama研制了一种能够植入细胞质的纳米凝胶材料，这种材料可随温度变化产生相应的荧光反应。纳米凝胶在温度升高时收缩，即挤出凝胶中的水。通过降低水的淬灭效应使化学基团发出荧光，反应时间为5毫秒、测量精度为0.5℃。这比以前的技术提高了10倍，而且丝毫不受pH值和离子强度的影响。
所谓淬灭效应指在一些通过光、电或化学等作用所引起的物质发光过程中，激发态物质不经光辐射跃迁就失去能量回到基态，大大降低了发光物质的发光效率。造成这一效应的主要因素是不参与发光过程的第三者物质（溶剂分子或共存物质，通常称为“淬灭剂”），同激发态粒子碰撞，使之失去大量能量，或与之作用，改变受激物质形态等。
之后Uchiyama开始尝试绘制单个细胞的温度分布图（2012年），这一成果公布在Nature communications杂志（Intracellular temperature mapping with a fluorescent polymeric thermometer and fluorescence lifetime imaging microscopy）。他们采用的是一种带有聚丙烯酰胺链的荧光分子，通过淬火或激活荧光进行检测。研究人员由此发现细胞核内的温度要比细胞质中的高，而且猴肾细胞线粒体会释放大量热量(这些研究结果颇有争议)。
Uchiyama还出版公布了其它荧光传感器设计，比如最近他们研发了一种更快的荧光高分子温度计，这种温度计寻找温度敏感荧光基团相对于不敏感基团的荧光变化率（Analyst, 140:4498-506, 2015），利用这种方法，他们发现细胞核要比细胞质温度高1度。
早稻田大学的Madoka Suzuki第一次尝试设计细胞温度计的时候，他记得只是轻轻朝细胞膜上按了一下一个顶端有荧光燃料的玻璃微针，看看荧光是否会随着温度增高而变化（Biophys J, 92:L46-L48, 2007）。在那之后，他与他的同事开始尝试制作加到细胞内的荧光纳米颗粒，荧光分子无法曝露在细胞化学环境中，因为这会改变它们的亮度，“纳米温度计（Nanothermometers）可以读出温度的变化，但不是无法对其它环境变化做出应答，”Suzuki说。
为了保护荧光报告因子，研究人员将这些分子嵌入到疏水聚合物中，然后用亲水聚合物包裹住这个疏水核心，创建出了一个平均直径为140毫微米的微粒。同时为了进一步防止出现错误，Suzuki加入两种类型的荧光基团，一种对热敏感，一种对热不敏感。通过检测两种基团的亮度差，他们发现人类肿瘤细胞被一种能导致细胞产生热的化学物质刺激时，温度会发生局部变化（ACS Nano, 8:198-206, 2014）。
由此研究人员又研发了一种包含黄色荧光染料（专门针对线粒体）的小分子温度计（Chem Commun, 51:8044-47, 2015）。另外一种小分子温度计靶向的则是内质网，这也是能帮助细胞来产生热量的细胞器 （Sci Rep, 4:6701, 2014）。
Suzuki希望有一天他们能开发出应答时间更快，温度灵敏性更高的细胞内温度计，这样就能发现细胞内热产生的其它热点。目前传感器很难捕获到热量的爆发，因为这些热量很快就扩散出去了，“线粒体和内质网是一种热源，而我们从未想象到的肌肉细胞中的肌动球蛋白也可能是另外一种热源。”
像钻石一样的耀眼光芒
研究者：来自哈佛大学的Mikhail Lukin
研究目的：Lukin等人希望能利用细胞内温度对健康细胞和疾病细胞进行分类，或者通过改变细胞温度来调控细胞进程，“这带来了各种可能，”他说。
研究方法：作为一位物理学家，Lukin与进行荧光燃料或聚合物研究的科学家们不一样，他聚焦于纳米金刚石，“我们利用金刚石也就是钻石的基本量子缺陷，也就是所谓的氮空泡中心（Nitrogen vacancy center），”他解释说，也就是氮取代碳的位置。
2013年，Lukin等人研发了一个分辨率能够低于一度、并且能够集成到活细胞内的纳米尺度的温度计，这个纳米尺度的温度测量新探针所利用的是对金刚石纳米晶体中的氮-空位彩色中心的量子操纵。
这些“中心”包含单电子自旋，并有依赖于局部温度、对其很灵敏的特定荧光性质。研究人员发现，它们能够以小至200纳米的空间分辨率被准确测定。通过将纳米金刚石和金纳米颗粒都引入一个人胚胎成纤维细胞中，他们演示了温度梯度控制及在亚细胞水平上所进行的“测绘”操作。
癌症终结者
研究者：葡萄牙阿威罗大学Luís Carlos，西班牙萨拉戈萨大学材料科学研究所Angel Millán
研究目的：Carlos 和 Millán正在尝试通过选择性热致死的方法，杀死肿瘤细胞，他们希望能建立温度梯度摧毁细胞的生物分子，并启动细胞死亡。目前一般的热疗方法都无法确保癌细胞在其周边组织保持低温的情况下，升至足够的温度。
研究方法：
两位研究人员近期设计了一种加热器和纳米温度计 (ACS Nano, 9:3134-42, 2015)，一般来说加热和检测细胞温度是分配给了不同的粒子做不同的任务。而Carlos和Millán想要确保检测到的就是热源中心的温度，而且是在细胞中热很快就会散去的前提下。“如果我们无法掌握加热器旁边温度计的真实温度，那么就无法检测到有效的局部温度，”Carlos说。
（Millán和 Carlos构建了一种既可以加热细胞，又可以检测温度的纳米粒子。荧光离子 (红色) 显示温度，它们包裹在磁性纳米微粒(橙色)，当进入磁场就会发热。同时其外部还有一个聚合外壳(绿色和蓝色)，用于保护，将加热器和温度计组合在一起。）
加热器由一种接触磁场后就会被加热的磁珠组成，温度计则由两个荧光离子构成，其中一个会随着温度的变化而改变亮度。这两者都被封闭在聚合物外壳中。
目前临床实验已经证明可以利用磁珠加热杀死癌症，但是研究人员指出，利用他们的加热器-温度计组合能更精确的杀死细胞，减少所需纳米粒子的数据，以及由此带来的身体伤害。
“如果能在癌细胞中安入特殊的纳米粒子，那么也许几个就足以引发细胞死亡了，”Millán说。目前研究人员正在培养细胞中加热细胞，监控它们的温度和反应。
深入到皮肤以下
研究者：马德里自治大学Daniel Jaque
研究目的：Jaque研究组希望能研发出检测到动物皮下组织温度的新技术，这样通过温度传感器发出穿透皮肤的荧光信号，从而最终应用到人体当中来。
研究方法：
大多数纳米温度计都存在一个主要限制因素：只能在可见范围内发出光波，这对于观察培养基中的细胞，或者体内相对透明的生物，如线虫等都OK。但可见光无法告诉研究人员完整皮肤以下的细胞状态，而且大部分的红外光谱会被水高度吸收，而这正是我们组织中最常见的一种元素。
不过有些波长范围是能穿透组织，并且避免水吸收问题的。在650-950纳米之间的光，也就是近红外的红光就被认为是一个生物之窗（biological window，生物通译），而1000-1350纳米之间的红外光则是第二个生物之窗。
Jaque和他的同事研发出了一种新型温度计，这种温度计主要依靠能激发和读取这两个生物之窗中的荧光。最近Jaque，博士后Emma Martín Rodríguez等人又设计了一种能在第一个生物之窗中激发，在第二个生物之窗中发出信号的温度计（Adv Mater, 27:4781-87, 2015）。
温度计由量子点和温度不敏感荧光纳米颗粒构成（随着温度的升高量子点荧光会淬火），这两者都被包裹在一种FDA批准的聚合物中。
（Jaque等人研发了一种可以检测皮肤以下细胞温度的新纳米温度计。(左上角)温度计由温敏量子点和温度不敏感荧光纳米颗粒组成，这两种都嵌入到一种生物相容性聚合物中。(左边和上面)纳米温度计的透射电镜图像）
利用目前的技术，有可能检测到动物皮下组织的温度，但是如果要应用到人体临床医学的话，就还需要更深水平的温度检测，“我们还仅仅处于起步阶段，”Jaque说。
Jaque希望最终能利用纳米温度计来指导癌症的热疗方法，“体内引入纳米温度计，这样就能实时监控体内的温度了，”他说，然后当需要加热肿瘤的时候，“可以调整到不会伤害到机体的温度。”
（生物通：张迪）
原文摘选：
It’s Getting Hot in Here
Methods for taking a cell's temperature
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