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,专家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,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。
体内细胞温差虽然也只有几度,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?
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,研究人员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,研究人员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。
之后研究人员开始尝试绘制单个细胞的温度分布图(2012年)。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)。
研究人员还出版公布了其它荧光传感器设计,比如zui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。