【JACS】精确测量活细胞内亚细胞器温度变化的量子测温技术

简介

本文研究了基于荧光纳米金刚石（FND）中氮空位（NV）中心的量子测温技术，用于精确测量活细胞内亚细胞器温度变化。通过抗体功能化，成功实现了线粒体、细胞核和细胞膜的靶向测量，为探索细胞代谢热动力学提供了高分辨率工具。

摘要

利用荧光纳米金刚石中的NV中心开发了一种创新的量子测温方法。该技术通过实时追踪显微镜结合抗光漂白和长时间信号稳定性，成功实现了线粒体、细胞核及细胞膜的温度动态监测。研究发现，线粒体是ATP抑制过程中主要的热生成区域，为理解细胞代谢热动力学提供了关键数据。

研究结果与讨论

• 量子测温技术的发展：通过优化微波功率和荧光追踪系统，确保动态环境下NV中心的稳定监测，排除外界热效应干扰。

• ATP合成抑制的热生成效应：使用化学药剂FCCP干扰线粒体膜电位，揭示了显著的温度升高现象，表明线粒体在热生成中的核心作用。

• 细胞器靶向功能化：通过抗体与荧光纳米金刚石的共价连接，实现了线粒体、细胞核和细胞膜的精准测量，提升了亚细胞热测量的空间分辨率。

• 温度变化的动态观察：通过三维共聚焦显微镜观察发现，线粒体的温度升高显著高于细胞核与细胞膜。未靶向的FND温度变化不显著，强调线粒体作为热生成主导器官的重要性。

结论

研究提出了一种革命性的细胞器特异性量子测温技术，显著提升了亚细胞热动力学研究的精度与可靠性。实验结果确认线粒体在代谢热调节中的核心地位，为深入研究细胞代谢调节机制奠定了基础。

参考文献

Lee, Y.; Kim, K.; Kim, D.; Lee, J. S. Organelle-Specific Quantum Thermometry Using Fluorescent Nanodiamonds: Insights into Cellular Metabolic Thermodynamics. J. Am. Chem. Soc. 2025, jacs.4c16365. https://doi.org/10.1021/jacs.4c16365.