细胞是构成生物体的基本单元，其内部的温度平衡对于维持生命活动至关重要。细胞内部的温度微环境直接影响着细胞的代谢速率、蛋白质的稳定性、酶的活性以及细胞信号的传递。细胞温度的异常升高或降低，都可能导致细胞功能紊乱，甚至引发疾病[1]。

　　在许多疾病中，细胞温度的变化是一个关键因素。例如，在癌症中，肿瘤细胞的温度通常比周围正常组织要高，这种现象被称为"热休克"。这种温度的变化会影响肿瘤细胞的生长和扩散，同时也为热疗法提供了理论基础。在神经退行性疾病中，如阿尔茨海默病，细胞温度的异常也与疾病的进展有关。细胞温度的变化还影响药物在细胞内的分布和作用。温度的微小变化可能导致药物分子的活性改变，进而影响药物的疗效和副作用。因此，了解细胞温度对药物反应的影响，对于药物设计和个性化医疗具有重要意义。

　　随着对细胞温度重要性认识的加深，细胞温度成像技术在生物医学研究中的应用也越来越广泛。它不仅可以帮助科学家更深入地理解细胞生理和病理过程，还可以为疾病诊断和治疗提供新的工具。尽管细胞温度成像技术取得了一定的进展，但仍面临着许多挑战，如提高成像的灵敏度和分辨率、减少对细胞的损伤、实现实时动态监测等。同时，这也为科研人员提供了广阔的研究空间和创新机遇。

细胞温度成像技术

　　随着科学技术的发展，细胞温度成像技术也在不断进步。目前，常用的技术包括基于热电偶的细胞温度测量技术、基于荧光强度的细胞温度成像技术、基于量子相干机制的温度成像技术等。这些技术能够实时监测细胞内的温度变化，为研究者提供了强有力的工具。

　　基于热电偶的细胞温度测量技术热电偶技术是一种历史悠久且广泛使用的温度测量方法。它依赖于两种不同金属或合金在接触点因温度差异而产生的电压变化。这种技术的显著优点在于其测量精度高，能够提供非常精确的温度读数，尤其适合于需要精确温度控制的科学研究和工业环境。然而，热电偶的主要缺点在于它无法实现成像功能，只能提供单点的温度测量。此外，热电偶的侵入性可能会对细胞造成损伤，限制了其在细胞层面的温度测量应用[2]。

　　基于荧光强度的细胞温度成像技术荧光强度温度成像技术利用荧光探针的荧光特性随温度变化的特性，通过测量荧光强度的变化来推断温度。这种技术的一个显著优点是能够实现高分辨率的成像，允许研究者观察细胞内温度的空间分布。然而，荧光强度可能受到多种因素的影响，如探针浓度、光照强度和荧光衰减等，这可能导致测量结果的不准确性。此外，将荧光强度转换为温度值的过程可能需要复杂的校准，增加了实验的复杂性。

　　基于量子相干机制的温度成像技术基于量子相干机制的温度成像技术是一种新兴的高技术方法，它利用量子系统的相干性质来检测温度变化。这种技术的优势在于其测量准确度高，能够实现细胞内温度的高分辨率成像，适合观察温度的微小变化。然而，量子相干机制的维持和测量可能需要特定的环境条件，这在实际应用中可能具有挑战性，使得系统相对复杂。(详情请点击阅读原文)

基于单分子量子相干调制的细胞温度测量原理图和实验装置。

（a）实验原理图。通过将单分子标记于细胞内，利用相位调制的飞秒脉冲对测量获取单分子的相干可视度V，然后利用相干可视度V与温度的依赖关系获取细胞内的温度。（b）实验装置图。EOM：电光调制器；QWP：四分之一波片；BS：50/50分束器；DM：分束镜；SPAD：单光子雪崩二极管；PBS：偏振分束器；MCPET：多通道皮秒事件计时器。

　　近期，山西医科大学精准诊疗分子影像省部共建协同创新中心的李思进团队通过单分子量子相干调制技术实现了高分辨癌细胞代谢关联温度成像[3]。这项研究通过实现对癌细胞内部温度的准确测量和解读，能够更好地理解癌症的发病机制，为癌症的早期诊断和治疗提供了新的突破。且该项技术的应用潜力不仅限于癌症领域，还可以为其他疾病的研究和治疗提供新的启示和方法。

细胞温度研究的进展

　　近年来，细胞温度成像技术在多个领域取得了显著进展。例如，在癌症研究中，通过监测肿瘤细胞的温度变化，可以帮助研究者了解肿瘤微环境的特点，为癌症治疗提供新的思路。此外，在神经科学研究中，细胞温度的变化也被用来研究神经元活动与脑功能的关系。

　　细胞温度与疾病研究：细胞温度的变化与多种疾病的发生和发展密切相关。在癌症研究领域，细胞温度的异常升高通常与肿瘤的快速代谢和炎症反应有关[4]。通过监测肿瘤细胞的温度，科学家可以更好地理解肿瘤微环境，并探索新的治疗策略。例如，热疗法（thermal therapy）利用高温来破坏肿瘤细胞，而细胞温度的精确测量对于确定治疗的有效性和安全性至关重要。

　　细胞温度成像在神经科学中的应用：在神经科学中，细胞温度的变化与神经元的活动紧密相关[5]。神经细胞在处理信息时会产生热量，这种局部温度的变化可以作为神经活动的指标。利用细胞温度成像技术，研究人员可以更深入地了解大脑如何处理信息，以及在神经退行性疾病中这些过程如何受到影响。

　　细胞温度对药物反应的影响：细胞内的温度变化也会影响药物的疗效和副作用。不同的药物在不同的温度下可能会表现出不同的稳定性和活性。通过研究细胞温度对药物反应的影响，可以优化药物剂量和治疗方案，实现更有效的个性化医疗。

　　细胞温度成像技术在生物物理研究中的应用：生物物理学家利用细胞温度成像技术来研究细胞内物质的运输和能量转换过程。例如，通过监测线粒体的温度，可以了解细胞的能量代谢状态。此外，细胞温度的变化也可以反映细胞内蛋白质和其他生物大分子的动态行为。

展望未来

　　随着科技的不断进步，细胞温度成像技术的未来发展前景广阔。预计未来技术将更加集成化和智能化，实现更高时空分辨率的实时动态监测。新型荧光探针和纳米材料的开发将进一步提升成像的灵敏度和特异性。同时，结合人工智能和机器学习算法，将有助于自动分析细胞温度数据，揭示复杂生物过程中的细微变化。这些技术的进步不仅将深化我们对细胞生理和病理机制的理解，也将为疾病诊断、治疗和药物开发提供强有力的工具，推动个性化医疗和精准医疗的发展。

　　参考文献

　　1. Okabe K, Uchiyama S, Inada N, et al. Imaging of temperature distribution in a living cell. Biophys J, 2013, 104(2): 201a

　　2. Huang L Q, Ding X L, Pan X T, et al. Single-cell thermometry with a nanothermocouple probe. Chem Commun, 2023, 59(7): 876-879

　　3. Zhou H, Yao W, Zhou X, et al. Accurate visualization of metabolic aberrations in cancer cells by temperature mapping with quantum coherence modulation microscopy. ACS Nano, 2023, 17(9): 8433-8441

　　4. Gates D, Horner V, Bradley L, et al. Temperature measurements: comparison of different thermometer types for patients with cancer. Clin J Oncol Nurs, 2018, 22(6): 611-617

　　5. R?ssler W, Bickmeyer U. Locust medial neurosecretory cells in vitro: morphology, electrophysiological properties and effects of temperature. J Exp Biol, 1993, 183(1): 323-339

　　作者简介

　　周海涛：山西大学原子与分子物理博士，现就职于山西医科大学分子影像精准诊疗省部共建协同创新中心。主要研究方向为物理生物医学交叉研究领域。

（作者：周海涛）

（本文来源于公众号：生物化学与生物物理进展）