作者及机构
本研究的通讯作者为南京大学的Dechen Jiang与浙江大学的Bin Su，第一作者为Hao Ding。研究团队来自南京大学分析化学国家重点实验室和浙江大学化学系。该成果于2023年10月9日发表在《Journal of the American Chemical Society》（JACS）上，论文标题为”Thermoelectric Nanofluidics Probing Thermal Heterogeneity Inside Single Cells”。
研究背景
温度作为生物体功能调控的核心物理参数，与胚胎发育、免疫反应、肿瘤转移等关键生理过程密切相关。传统认知认为细胞内温度是稳态参数，但近年研究发现：线粒体等亚细胞器可产生约10 K的瞬时温升，神经元活动时会出现毫秒级温度尖峰。然而现有测温技术存在显著局限——微热量计空间分辨率低（微米级），荧光测温需秒级积分时间，热电偶需复杂微加工工艺。因此，开发兼具纳米级空间分辨率、毫秒级时间响应、毫开尔文级热灵敏度的单细胞测温技术成为生物医学领域的迫切需求。
研究方法与技术突破
研究团队开发了纳米移液管热电温度计（Nanopipet Electric Thermometry, NET），其核心创新在于： 1. 原理设计：基于温度调控离子迁移效应。当溶液温度变化时，离子迁移率与分布改变，在恒电流配置下转化为热电响应电压信号。理论推导表明电压与温度呈指数关系（V = k × 10^(247.8/(T-140))），灵敏度达11.1 mV/K，比传统热电测温高一个数量级。 2. 器件制备：采用激光拉制石英毛细管制成尖端直径55 nm、倾角5°的纳米移液管，内充10 mM PBS缓冲液（pH 7.4）。通过SEM验证几何形貌（图S1），采用Ag/AgCl电极构建电化学池。 3. 性能验证：
- 热分辨率：25 mK（通过10分钟电压波动标准差0.28 mV计算）
- 时空分辨率：100 nm空间分辨率与0.9 ms时间分辨率
- 稳定性测试：连续加热/冷却循环显示优异重现性（图S4b）
4. 数值模拟：通过COMSOL耦合泊松-能斯特-普朗克方程、爱因斯坦-斯托克斯方程和热方程，证实离子在纳米孔道口的积累效应是热电响应的物理基础（图2e-f）。
单细胞动态测温实验
研究选取SKOV3卵巢癌细胞模型，通过微操纵系统将NET插入活细胞： 1. 基础代谢监测：发现稳态细胞存在秒级温度波动（幅度约0.2 K），揭示传统方法无法检测的瞬态热活动（图3b）。 2. 药物响应实验：
- 寡霉素（Oligomycin）抑制ATP合成酶：700秒内温度下降0.61 K
- FCCP解耦线粒体呼吸：快速升温1.42 K
- 鱼藤酮（Rotenone）阻断复合物I：200秒内降温0.91 K
3. 免疫治疗监测：
- 构建赫赛汀（Herceptin）修饰的NK-92MI免疫细胞，特异性靶向HER2阳性肿瘤细胞（图4a-b）
- 治疗1小时观测到0.99 K温升（代谢激活标志），3小时后出现温度异质性：存活细胞群中位温度+0.62 K，凋亡细胞群-0.84 K（图4g）
- 首次证实温度升高与肿瘤细胞免疫逃避正相关（p<0.01）
机制与结论
1. 科学价值：
- 建立首个基于离子迁移效应的纳米流体测温体系，突破光学方法的时间分辨率瓶颈
- 揭示单细胞温度异质性与免疫治疗抗性的关联，为肿瘤代谢研究提供新维度
2. 应用前景：
- 可拓展至神经元电活动、胚胎发育等快速热过程监测
- 通过扫描电化学方法有望实现高通量单细胞热表型分析
研究亮点
1. 方法学创新：
- 首创”离子迁移-热电转换”测温原理，灵敏度较传统方法提升10倍
- 开发可商业化的纳米移液管标准化制备流程
2. 生物学发现：
- 发现免疫治疗中肿瘤细胞通过温度升高获得生存优势的新机制
- 建立单细胞热波动与药物响应的定量关系模型
补充价值
研究还发现：
- 温度异质性（IQR）在治疗过程中从1.48 K增至2.43 K，提示热成像可作为疗效预测指标
- 通过k-means聚类实现热表型-存活状态的自动关联分析（图4g）
- 配套开发开源COMSOL模拟代码（Supporting Information）
该工作为单细胞分析领域提供了革命性的研究工具，被审稿人评价为”首次在单细胞水平建立热力学参数与免疫治疗效果的定量关联”。未来可通过整合扫描电化学显微镜，进一步实现亚细胞器定位的热成像。