熱生物學(xué)：測(cè)量細(xì)胞溫度

李升偉/編譯

熱生物學(xué)：測(cè)量細(xì)胞溫度

李升偉/編譯

●熒光技術(shù)和納米技術(shù)的發(fā)展，使得測(cè)量細(xì)胞的溫度成為可能，它被稱為“熱生物學(xué)（Thermal Biology）”，本文介紹了最近這方面的進(jìn)展。

即使是最早的科學(xué)家們也知道，溫度是一種重要的生命體征，指示著人體的健康與疾病狀況。17世紀(jì)，意大利生理學(xué)家桑克托利沃·?？送欣麨跛梗⊿anctorio Sanctorius）發(fā)明了口腔溫度計(jì)來(lái)測(cè)量病人的體溫?，F(xiàn)在，21世紀(jì)的科學(xué)家們面臨著一項(xiàng)新的、更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)：測(cè)量單個(gè)細(xì)胞的溫度。

“溫度是一種調(diào)節(jié)生命的基本物理參數(shù)，它決定著發(fā)生在生命系統(tǒng)內(nèi)部所有種類的過(guò)程的速度?！泵坠翣枴けR金（Mikhail Lukin）說(shuō)，他是哈佛大學(xué)的物理學(xué)家，并且已經(jīng)研發(fā)了一種用金剛石作材料的細(xì)胞內(nèi)溫度傳感器。

然而，盡管溫度是一種基本的生命體征，科學(xué)家們對(duì)于細(xì)胞之間和細(xì)胞之內(nèi)溫度的變化范圍還是知之甚少的。盧金說(shuō)：“很顯然，要可靠地測(cè)量細(xì)胞內(nèi)的溫度不是一件容易的事，你不可能既把一支尺寸與細(xì)胞相比十分龐大的溫度計(jì)放進(jìn)細(xì)胞內(nèi)部，又保持細(xì)胞的存活。”

但是，在過(guò)去五年中，研究人員們已經(jīng)運(yùn)用納米技術(shù)制造出了微型化的溫度計(jì)，可以揭示出不同細(xì)胞之間和同種細(xì)胞內(nèi)不同部位間的溫度差別?！斑@個(gè)領(lǐng)域的研發(fā)到目前為止，我已經(jīng)（用微型化溫度計(jì)）鑒定大約2 010個(gè)細(xì)胞。”葡萄牙阿維羅大學(xué)的物理學(xué)家路易斯·卡洛斯（Luís Carlos）說(shuō)道。他正在試驗(yàn)用“相對(duì)過(guò)熱”來(lái)殺死癌癥細(xì)胞。

盡管人體內(nèi)的溫度差異很小，僅在幾攝氏度范圍內(nèi)變動(dòng)，但是研究人員們開始懷疑微小的差異可以改變細(xì)胞的化學(xué)組成與相關(guān)功能，或者可以幫助醫(yī)生們發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞生長(zhǎng)。于是我們集中介紹一下：溫度是如何影響細(xì)胞內(nèi)部的存在狀態(tài)和相關(guān)的幾種檢測(cè)方法。

關(guān)注溫度變化熱點(diǎn)

熱源材料：由內(nèi)山誠(chéng)一實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的微型熒光溫度計(jì)設(shè)計(jì)圖。當(dāng)溫度計(jì)受涼的時(shí)候，它的聚合物主干保持一種開放的結(jié)構(gòu)，水分子可以急速冷卻熒光單元并停止其發(fā)光（這里為一個(gè)星形基團(tuán)）。當(dāng)溫度上升時(shí)，溫度計(jì)折疊并保護(hù)熒光單元遠(yuǎn)離水，使其可以發(fā)光。溫度計(jì)揭示：培養(yǎng)的猴子細(xì)胞的細(xì)胞核平均溫度比細(xì)胞質(zhì)平均溫度高1℃。

研究者：東京大學(xué)內(nèi)山誠(chéng)一；早稻田大學(xué)鈴木圓。

目標(biāo)：溫度影響著細(xì)胞內(nèi)部大量的過(guò)程，從基因表達(dá)到蛋白質(zhì)之間的交聯(lián)方式。鈴木、內(nèi)山和他們的同事們著眼于測(cè)量細(xì)胞不同部位之間溫度的細(xì)微變化。這樣的研究有可能發(fā)現(xiàn)熱是如何在人體內(nèi)產(chǎn)生的，也有可能發(fā)現(xiàn)溫度的局部變化是如何改變細(xì)胞的化學(xué)結(jié)構(gòu)和屬性的。

方法：包含有熒光染料及量子光點(diǎn)或其他發(fā)光發(fā)熱材料的傳感器，其光亮度可以由溫度的變化而變化。在過(guò)去幾年中，研究人員們已經(jīng)發(fā)明了細(xì)胞可以攝入的微小熒光溫度計(jì)。借用顯微鏡，研究人員們可以檢測(cè)到溫度計(jì)的發(fā)光，從而判斷細(xì)胞內(nèi)的溫度情況。

內(nèi)山首次開始對(duì)單個(gè)細(xì)胞內(nèi)部的溫度分布進(jìn)行作圖，在2012年的《自然－通訊》雜志上發(fā)表了他設(shè)計(jì)的熒光聚合物溫度計(jì)。該溫度計(jì)由一個(gè)粘附在一條聚丙烯酰胺鏈上的熒光分子組成，其結(jié)構(gòu)隨溫度的變化而發(fā)生改變，從而關(guān)閉或打開熒光。它們?cè)诤镒幽I衍生細(xì)胞株中的實(shí)驗(yàn)證明：細(xì)胞核比細(xì)胞質(zhì)溫度高并且線粒體釋放出大量的熱量。

內(nèi)山還發(fā)表了其他的熒光傳感器設(shè)計(jì)，距今最近的2015年研發(fā)了一種更快的熒光聚合體溫度計(jì)，其作用機(jī)理取決于溫敏性熒光體與抗溫敏熒光體的組成比例。他們使用這種傳感器來(lái)測(cè)量人體胚胎腎細(xì)胞內(nèi)的溫度，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核的溫度大約比細(xì)胞質(zhì)的溫度高1℃。

當(dāng)鈴木第一次開始設(shè)計(jì)溫度計(jì)時(shí)，他將一個(gè)頂部粘附有熒光染料的玻璃微針輕柔地壓迫在細(xì)胞膜上，觀察熒光是否隨溫度升高而有所改變。最后，他和他的同事們開始做實(shí)驗(yàn)來(lái)制作可以導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)部的熒光納米粒子。因?yàn)闇囟瓤梢愿淖儫晒夥肿拥牧炼?，所以熒光分子不能暴露在?xì)胞的化學(xué)環(huán)境中?！凹{米溫度計(jì)應(yīng)該能夠讀出溫度的變化，而對(duì)于（其他的）環(huán)境改變則不做出反應(yīng)?！扁從菊f(shuō)。

為了保護(hù)熒光探針分子，研究人員們把這些熒光分子植入到一個(gè)疏水聚合物內(nèi)，然后把這個(gè)疏水核包埋在一個(gè)殼形的親水聚合物內(nèi)，制作成平均直徑為140納米的顆粒。為了防止錯(cuò)誤的反饋，鈴木使用了兩種類型的熒光體：一種對(duì)熱敏感，另一種則不。通過(guò)測(cè)量?jī)煞N熒光體亮度的比值，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：用一種化學(xué)品刺激培養(yǎng)中的人類癌癥細(xì)胞后，細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生熱，并且不同部位放熱量各不相同。

鈴木團(tuán)隊(duì)于2015年建立了一種單分子溫度計(jì)，它由一種黃色熒光的且明確靶向線粒體的染料組成。此線粒體是細(xì)胞內(nèi)的產(chǎn)熱引擎。另一種小分子溫度計(jì)靶向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。這種內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是一種能幫助細(xì)胞產(chǎn)熱的細(xì)胞器。相關(guān)論文發(fā)表于2014年。

鈴木希望有朝一日能夠研發(fā)出有如下性能的細(xì)胞內(nèi)溫度計(jì)：能夠有更快的應(yīng)答時(shí)間和更強(qiáng)的溫度敏感性。這樣，他們可以確定細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)熱的其他熱點(diǎn)部位。最近他說(shuō)，他正在努力改進(jìn)傳感器，使之能夠捕捉到熱的微小爆炸及知曉它的擴(kuò)散速率?！熬€粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)被認(rèn)為是熱源，”鈴木說(shuō)，“肌肉細(xì)胞內(nèi)的肌動(dòng)球蛋白也是熱源，應(yīng)該還有其他的、我們還沒有想象得到的熱源?！?/p>

用金剛石做發(fā)光材料

珠光寶氣的細(xì)胞：米哈伊爾·盧金和他的同事們用激光照射已導(dǎo)入到細(xì)胞內(nèi)的納米金粒子來(lái)加熱細(xì)胞，通過(guò)檢測(cè)納米金剛石內(nèi)缺陷的自旋態(tài)來(lái)測(cè)量細(xì)胞的內(nèi)部溫度。

研究者：哈佛大學(xué)米哈伊爾·盧金。

目標(biāo)：盧金和他的合作者們夢(mèng)想使用細(xì)胞內(nèi)溫度來(lái)將健康細(xì)胞從疾病細(xì)胞中分選出來(lái)，并且通過(guò)加熱它們或者冷卻它們來(lái)控制細(xì)胞?！斑@為研究開辟了許多的可能性?！彼f(shuō)。

方法：盧金是一位物理學(xué)家，他另辟蹊徑，不用熒光染料或聚合物，而是用金剛石納米晶體來(lái)制作溫度計(jì)。他解釋說(shuō)：“我們的基本思路是使用金剛石內(nèi)的量子缺陷即所謂的氮空位中心機(jī)理在制作溫度計(jì)。這種氮空位是一種用氮替代碳的缺陷?！?/p>

氮空位中心擁有原子旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)用光、磁場(chǎng)或溫度干擾時(shí)會(huì)改變方向?！叭绻{米晶體的溫度改變，會(huì)發(fā)生的是納米晶體內(nèi)碳原子之間的距離有少許改變，從而改變了電子的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)?！北R金說(shuō)。當(dāng)研究人員們向金剛石納米晶體上照射一束激光時(shí)，氮替代碳的缺陷會(huì)發(fā)光，同時(shí)因它們的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)和溫度不同而發(fā)射出不同的熒光。

為了檢驗(yàn)他們方法的有效性，研究人員還將黃金納米粒子導(dǎo)入到細(xì)胞內(nèi)，并用激光加熱粒子。經(jīng)過(guò)這樣的改進(jìn)，盧金和他的團(tuán)隊(duì)不僅可以控制細(xì)胞的溫度，還可以監(jiān)測(cè)細(xì)胞溫度控制是如何進(jìn)行的。2013年，這些研究者發(fā)現(xiàn)他們可以檢測(cè)到小到0.001 8℃的溫度變化。

盧金和合作者們目前正在使用溫度來(lái)探索蠕蟲的發(fā)育機(jī)理并試圖影響其發(fā)育機(jī)理。

“它使得你可以選擇性地調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的各種過(guò)程，”他說(shuō)，“它可以使得你加速一些過(guò)程的發(fā)育同時(shí)減速其他過(guò)程的發(fā)育，或者當(dāng)你不需要這種特殊細(xì)胞再具有某種生理功能時(shí)殺死該細(xì)胞。”

癌癥殺手

多用途微珠體：米蘭和卡洛斯已經(jīng)設(shè)計(jì)了一顆微小的珠子，它既可以加熱細(xì)胞又可以測(cè)出它們的溫度來(lái)。熒光離子顯示溫度的變化。它們包裹磁性納米粒子，在暴露于磁場(chǎng)時(shí)可以為納米粒子提供熱能。為了起到保護(hù)作用，一個(gè)聚合物外殼把連接在一起的加熱器和溫度計(jì)包裹在內(nèi)部。

研究者：葡萄牙阿維羅大學(xué)路易斯·卡洛斯（Luís Carlos）；西班牙薩拉戈薩大學(xué)阿拉貢材料科學(xué)研究所安吉爾·米蘭（Angel Millán）。

目標(biāo)：卡洛斯和米蘭正在試著殺死腫瘤，通過(guò)選擇性地向癌癥細(xì)胞施加能致死的高熱，制造溫度梯度以破壞生物分子和觸發(fā)細(xì)胞死亡。但是，使用過(guò)熱來(lái)殺死癌細(xì)胞越來(lái)越難以把握，因?yàn)槿狈σ环N良好的方法來(lái)保證癌細(xì)胞得到足夠的熱而周圍組織則保持相對(duì)的冷卻。

方法：卡洛斯和米蘭最近設(shè)計(jì)了一種納米粒子，既是一種加熱器又是一個(gè)溫度計(jì)。研究人員們希望既加熱細(xì)胞又測(cè)量它的溫度，方法是功能化不同部分顆粒使其完成兩種不同的任務(wù)?？逅购兔滋m想要保證他們?cè)诰_地測(cè)量熱源部位的溫度時(shí)，熱量可以在細(xì)胞內(nèi)狹小的空間快速消散掉?！叭绻覀儧]有真正與加熱器相連接的溫度計(jì)，我們就不可能測(cè)量到有效的局部溫度?！笨逅拐f(shuō)。

加熱器由一個(gè)磁珠構(gòu)成，當(dāng)其暴露在磁場(chǎng)中時(shí)就會(huì)熱起來(lái)。溫度計(jì)由兩個(gè)熒光離子構(gòu)成，其中之一隨溫度變化亮度也隨之變化。這些都被封閉在一個(gè)聚合物殼內(nèi)。

目前已經(jīng)有臨床試驗(yàn)檢測(cè)使用磁珠誘導(dǎo)加熱來(lái)殺死癌細(xì)胞。但是，研究人員們認(rèn)為，有了他們的組合型的加熱器－溫度計(jì)，他們可以更加精準(zhǔn)地加熱細(xì)胞，在減少可用納米粒子的數(shù)量的同時(shí)，又能有效地殺死腫瘤。

“如果你將納米粒子特殊處理后嵌入到癌細(xì)胞內(nèi)部，可能只需要少量就足以誘導(dǎo)癌細(xì)胞死亡?！泵滋m說(shuō)。研究人員們目前正在培養(yǎng)物中加熱其細(xì)胞并監(jiān)測(cè)它們的溫度和反應(yīng)。

深入到皮膚內(nèi)部

深入皮下：杰克和他的同事們已經(jīng)制作了一種可以感受皮膚下溫度的納米溫度計(jì)（上圖左上部）。溫度計(jì)是由溫度敏感性量子點(diǎn)和溫度不敏感性熒光納米粒子組成的，全部嵌入在一種具有兼容性的生物聚合物中。納米溫度計(jì)的透射電子顯微鏡圖像（上圖左下和右部）。

研究者：馬德里自治大學(xué)丹尼爾·杰克（Daniel Jaque）。

目標(biāo)：杰克小組希望建立方法來(lái)測(cè)量動(dòng)物的皮下溫度，最終實(shí)現(xiàn)人體組織在體溫度測(cè)量，而使用的溫度傳感器發(fā)出穿越肉體的熒光信號(hào)。

方法：大多數(shù)納米溫度計(jì)有一個(gè)重大的局限性：它們只發(fā)出可見光范圍的光波。這項(xiàng)工作的細(xì)致化實(shí)現(xiàn)了在培養(yǎng)物中觀察細(xì)胞，甚至于在相對(duì)透明的生物體模型如蠕蟲體內(nèi)觀察細(xì)胞。但是，可見光不能告知研究人員更多關(guān)于完整的、不透明生物體內(nèi)的皮膚下面的細(xì)胞所發(fā)生的故事。其間，大多數(shù)的紅外光譜可以被充滿在組織內(nèi)的水所吸收。

但是，有些波長(zhǎng)范圍的光波可以滲透入組織并且克服水吸收的難題。波長(zhǎng)在650至950納米之間的光波是接近紅外線的紅光，它被認(rèn)為是一扇供科學(xué)家們行之有效地開展對(duì)生物學(xué)研究的窗戶。波長(zhǎng)在1 000至1 350納米之間的紅外光則為科學(xué)家們打開了第二扇“生物學(xué)之窗”。

杰克和他的同事們正在研發(fā)的一種使用熒光技術(shù)的溫度計(jì)，它們可以被這些“特定波長(zhǎng)的光”激發(fā)并得出溫度的數(shù)值。最近，杰克帶領(lǐng)博士后?，敗ゑR丁·羅德里格斯（Emma Martín Rodríguez）和其他同事設(shè)計(jì)了一種溫度計(jì)，在第一波長(zhǎng)段被激發(fā)并發(fā)射出第二波長(zhǎng)段內(nèi)的信號(hào)。

這種溫度計(jì)的組成一部分是量子點(diǎn)群，其熒光發(fā)光性隨溫度的上升而被淬滅，第二部分是對(duì)溫度不敏感的熒光納米粒子群，二者都被包裹在一種被稱為FDA的聚合物之內(nèi)。

有了目前的這些技術(shù)，就可能感受到動(dòng)物皮膚下大約1厘米深淺處的溫度。但是為了能夠?qū)⑦@些成果轉(zhuǎn)化為相關(guān)人體的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，研究人員們將需要檢測(cè)到更深處的溫度?！拔覀冞€剛剛處在歷史的開始階段?！苯芸苏f(shuō)。

最后，杰克希望使用納米溫度計(jì)來(lái)幫助對(duì)癌癥的熱治療?！澳銓?dǎo)入納米粒子到你的體內(nèi)后，它會(huì)給出機(jī)體溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量值?！彼f(shuō)，然后在你加熱腫瘤時(shí)，“你可以調(diào)節(jié)治療裝置溫度從而不至于灼傷機(jī)體。”

溫度的困惑

對(duì)2012年《自然－通訊》雜志內(nèi)山誠(chéng)一論文載圖中描述的高水平產(chǎn)熱問題，巴富表示反對(duì)。圖像顯示在活猴細(xì)胞內(nèi)線粒體附近的大型局部溫度峰值（白色箭頭）。字母N指示細(xì)胞核。

包括鈴木圓和內(nèi)山誠(chéng)一在內(nèi)的研究人員最近測(cè)量到了活細(xì)胞內(nèi)實(shí)質(zhì)性的溫度增加。在這些案例中，盡管缺乏任何對(duì)細(xì)胞的外來(lái)加熱，溫差仍然達(dá)到了幾個(gè)攝氏度。2014年9月，一組法國(guó)的研究人員對(duì)此發(fā)現(xiàn)提出了疑問，他們從2014年到2015年發(fā)表了時(shí)間跨度長(zhǎng)達(dá)一年的觀察研究。法國(guó)小組進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算，似乎證明了單個(gè)細(xì)胞不可能有足夠的能量來(lái)如此快速地對(duì)其自身產(chǎn)生這樣巨大的溫度變化?！捌咸烟鞘且环N細(xì)胞內(nèi)分子也是能量的來(lái)源，”來(lái)自艾克斯·馬賽大學(xué)菲涅耳研究所的共同作者吉列姆·巴富（Guillaume Baffou）說(shuō)，“如果你用葡萄糖填滿細(xì)胞的整個(gè)體積，然而這顯然是不太可能的。同時(shí)如果你將葡萄糖燃燒掉，你也不會(huì)使得溫度增加1℃?！?/p>

“如果我們應(yīng)用傳統(tǒng)的熱力學(xué)法則，我們會(huì)得出這樣的結(jié)論，細(xì)胞內(nèi)部反應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生大約1℃的細(xì)胞內(nèi)溫度變化，”葡萄牙阿維羅大學(xué)的路易斯·卡洛斯表達(dá)了自己的認(rèn)同，“但是，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)說(shuō)，有幾項(xiàng)來(lái)自世界各地的研究者完成的工作表明存在超過(guò)1℃的溫度差異?！?/p>

一種可能性是：研究人員觀察到細(xì)胞內(nèi)巨大的溫度增加簡(jiǎn)單地說(shuō)只是在制造實(shí)驗(yàn)誤差?！傲硗庖环N假設(shè)是微米和納米級(jí)尺度的熱傳遞問題，并不能用傳統(tǒng)熱力學(xué)進(jìn)行良好的描述?！笨逅拐f(shuō)。

鈴木同意這樣的說(shuō)法：在沒有外來(lái)熱輸入的情況下，不可能有整個(gè)細(xì)胞變熱達(dá)1℃。但是，“計(jì)算應(yīng)該不考慮像水球一樣的整個(gè)細(xì)胞的溫度，而是考慮細(xì)胞內(nèi)部一個(gè)微小的體積產(chǎn)生熱量即在此基礎(chǔ)上的測(cè)量溫度?！扁從菊f(shuō)，下一步將是測(cè)量活細(xì)胞的熱傳導(dǎo)性，并保證它們的細(xì)胞器和蛋白質(zhì)遍及其內(nèi)部。這可能有助于解釋局部細(xì)胞是否可以加熱及如何來(lái)加熱，而整個(gè)細(xì)胞并沒有經(jīng)歷根本性的溫度變化。

“熱生物學(xué)（Thermal biology）仍然處于其嬰兒期，”巴富說(shuō)，“我們希望得到一張整個(gè)細(xì)胞的可靠的溫度分布圖?！?/p>

[資料來(lái)源：The Scientist][責(zé)任編輯：遙醒]