細胞“出汗”?!：Chem報道 “單細胞量熱”重要突破
熱量是自然界中能量存在的一種普遍形式。在化學系統(tǒng)中，幾乎所有的化學反應(yīng)過程無不涉及吸熱或放熱。對生命系統(tǒng)而言，熱量既是物質(zhì)新陳代謝的必然產(chǎn)物，又是維持正常生命活動和功能的重要保證。包括人類在內(nèi)的絕大多數(shù)恒溫動物，其攝入的食物除了滿足生長、發(fā)育和活動所需外，尚有一大部分轉(zhuǎn)化為熱量以補償環(huán)境溫度漲落的損失。正常條件下人體可以調(diào)整產(chǎn)熱和散熱以維持體溫，體溫≥37.3℃通常稱為“發(fā)熱”，“發(fā)熱”是臨床常見的癥狀之一，同許多疾病的發(fā)生緊密相關(guān)?！傲矿w溫”也是臨床廣泛使用的重要診斷方式之一。
細胞作為構(gòu)成生命結(jié)構(gòu)和功能的基本單元，是物質(zhì)合成、能量生成和新陳代謝的主要場所。細胞內(nèi)時刻在發(fā)生著熱量的產(chǎn)生、傳遞和耗散，近期研究表明在細胞水平也存在對溫度的感知和響應(yīng)。細胞內(nèi)的熱力學環(huán)境，不僅關(guān)系到細胞的活動與功能，也與許多重要的生物醫(yī)學應(yīng)用緊密相關(guān)。然而，迄今人們對于細胞內(nèi)熱量傳遞和調(diào)節(jié)基本規(guī)律的認知，依然知之甚少，一些基本問題依然未知。比如：細胞內(nèi)的熱量是如何耗散的？細胞熱了會不會通過“出汗”而散熱？細胞會根據(jù)環(huán)境溫度自己調(diào)節(jié)熱量平衡嗎？如能發(fā)明一種“細胞量熱計”，給單個細胞“量體溫”，在細胞水平研究熱量產(chǎn)生和耗散過程，將有望回答以上科學謎題，深入理解“發(fā)熱”的細胞基礎(chǔ)和分子機制。
圖1. “單細胞時空分辨分子動態(tài)分析系統(tǒng)”儀器裝置
實現(xiàn)單細胞的“量熱”，在技術(shù)上有很大的挑戰(zhàn)。要求在測量原理應(yīng)用、關(guān)鍵技術(shù)和儀器裝置上創(chuàng)新，突破時空分辨的測量極限。在該思想的指導下，依托陳洪淵院士主持完成的基金委重大科研儀器項目“單細胞時空分辨分子動態(tài)分析系統(tǒng)”測量平臺，該團隊把研究單細胞內(nèi)的能量漲落和熱動力學規(guī)律作為長期科學目標。通過儀器創(chuàng)制和測量技術(shù)創(chuàng)新，成功突破了細胞內(nèi)瞬態(tài)傳熱測量的難題，國際上首次測得了不同種類溫血和冷血動物細胞、以及正常細胞和癌細胞內(nèi)的熱耗散及其差異性。發(fā)現(xiàn)溫血動物細胞可根據(jù)環(huán)境溫度變化調(diào)節(jié)熱耗散以維持細胞內(nèi)熱量平衡，并通過細胞代謝組學分析研究了能量代謝相關(guān)的分子通路。該成果近期刊登于Cell姊妹刊Chem雜志（DOI:10.1016/j.chempr.2021.02.027）。南京大學為第一完成單位和通訊單位，化學化工學院博士生宋沛和高鶴為論文共同第一作者，康斌副教授、徐靜娟教授和陳洪淵院士為論文共同通訊作者。?
圖2.單細胞內(nèi)的熱傳導與熱耗散調(diào)節(jié)
這一工作不僅第一次揭示了人體“發(fā)熱”和“體溫調(diào)節(jié)”的細胞基礎(chǔ)和分子通路，更打開了通向理解“細胞小宇宙”中的基本物性和規(guī)律的一扇窗戶。隨著單細胞內(nèi)自由能、反應(yīng)焓、熵變等更多熱力學參量和過程的測定，必將拓展和更新我們對單細胞內(nèi)能量漲落和平衡的基本認知。繼而促進熱量相關(guān)的疾病發(fā)生機制研究和診療新技術(shù)研發(fā)，比如發(fā)熱癥狀與體溫調(diào)節(jié)、退燒藥的作用機制、極寒/極熱環(huán)境下的生物生存等等。
本研究得到了基金委重大科研儀器研制項目、基金委重點項目、南京大學卓越研究計劃等基金支持。
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供稿：化學化工學院、科學技術(shù)處
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