微型温度计测热寻靶标（附原文）

诸平

Fig. 1 Proton uncoupler in action at the mitochondrial inner membrane. a A schematic of the mitochondrial respiratory chain shows three protein complexes (I, III, IV) producing an H+ gradient across the inner mitochondrial membrane. ATP synthase (AS) utilizes this H+ gradient to synthesize ATP from ADP. b Proton uncouplers allow diffusion of protons through the mitochondrial membrane. This sudden diffusion into the mitochondrial matrix results in a proton current that can generate heat.

Fig.2 Schematic and microscopy images of intracellular temperature measurement inside Aplysia neurons. a A false-colored scanning electron microscopy image of the thermal probe. The suspended region is ~451-μm long. Scale bar corresponds to 100 μm. b The temperature-sensitive thermocouple junction is ~1 μm in diameter. Scale bar corresponds to 5 μm. c A schematic of the setup used for measuring temperature changes inside the cell while concurrently monitoring the membrane potential using a KCl sharp microelectrode. The brown patches in the perinuclear cytoplasm are representative of mitochondrial sites in Aplysia neurons38. d An optical image of the abdominal ganglion of Aplysia. The two probes are inside the target cell R15. Scale bar corresponds to 100 μm

据美国伊利诺斯大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）的2019年8月30日提供的消息，该大学的研究人员开发了一种微型温度计探头，可以快速测量细胞内部的温度，从而揭示了新陈代谢方面热量产生的神秘面纱。

研究人员发现，线粒体是细胞的发电站，通过释放储存在内部质子“电池”中的能量，释放出快速爆发的热量。他们说，更好地理解这一过程可以为治疗肥胖和癌症指明新的目标。

在机械科学和工程学教授Sanjiv Sinha的带领下，他们的研究成果于2019年7月26日已经在自然杂志《通讯生物学》（Communications Biology）上发表——Manjunath C. Rajagopal, Jeffrey W. Brown, Dhruv Gelda, Krishna V. Valavala, Huan Wang, Daniel A. Llano, Rhanor Gillette, Sanjiv Sinha. Transient heat release during induced mitochondrial proton uncoupling, Communications Biology, 2019, Volume 2, Article number: 279 . DOI: 10.1038/s42003-019-0535-y. (s42003-019-0535-y.pdf)

Sanjiv Sinha说:“产生热量是线粒体在新陈代谢活动中心的一部分，它需要产生用于细胞活动的能量流通，在大多数情况下，热量就是副产品之一。但是有一种机制可以在身体需要的时候加速这个过程来产生更多的热量，这就是脂肪细胞在体温下降，需要热量时所做的事情。”

为了更好地理解这种热量输出的增加，研究人员开发了一种微型快速读数温度计探头，可以在细胞内部测量活细胞内部的温度。事实证明，这种机械设计颇具挑战性:它必须足够长才能到达显微镜下的细胞，但又必须足够小，直径不能伤害细胞或破坏细胞的内部过程。

Sanjiv Sinha教授说：“想想我们如何用舌头下面的探针测体温。我们本质上是在做同样的事情，但是是在一个单细胞内。我们想要非常快地测量发生了什么。细胞内的反应非常快。这就像，如果要给一个小孩子量体温，就需要非常快地测量，否则他们会动起来，而这会影响测量的准确度。”

Sanjiv Sinha教授的研究团队与伊利诺斯大学厄巴纳-香槟分校的分子和综合生理学名誉教授Rhanor Gillette实验室的研究人员合作，在一株线粒体丰富的神经元中测试了此探针。他们使用过之前研究中建立的方法诱导线粒体产生热量，但他们对探针能够测量到的非常快的温度变化感到震惊。

该研究的第一作者、研究生曼朱纳特·拉贾戈帕尔(Manjunath Rajagopal)说:“我们发现了一些与之前发表的结果完全不同的结果。我们看到温度急剧上升，幅度很大，而且持续时间很短，在不足1秒钟内温度上升了大约5℃。测量的黄金标准一直是荧光法，但它太慢，看不到这种短暂的，高爆发的热量。只要用一个简单的探针在高速下测量，我们就证明了我们可以找到其他方法未曾发现的东西。”

研究人员先前假设线粒体的热输出增加来自葡萄糖分解的增加，但是Sanjiv Sinha教授的研究小组测量的热峰值太高了。Sanjiv Sinha教授说：“它不能通过代谢储存的葡萄糖来释放这种能量。这根本说不通，但是它究竟来自何方?必须有这种能量的来源。”

研究人员确定，能量峰值与质子细胞电池的放电是一致的。他们通过在线粒体膜中打开蛋白通道的特殊分子诱导类似的温度峰值来证实了这一点。

Manjunath Rajagopal说：“在线粒体中，葡萄糖代谢反应的一部分以质子电池（proton battery）的形式储存部分能量。它把所有的质子都推到膜的一边，这样就形成了能量储存。我们基本上是短路了储存的能量。” 

研究人员计划用此温度探针研究其他细胞系线粒体短路过程，以确定治疗靶点。例如，脂肪细胞中天然存在打开质子之门，释放储存的质子能量的蛋白质。Sanjiv Sinha的研究小组希望与生物学家合作，研究当需要热量时(例如，当身体温度下降时)，脂肪细胞是如何自然地发生这个过程的，以及质子释放蛋白是否可以作为治疗肥胖的靶标。

Manjunath Rajagopal说：“癌症将是另一种应用，癌细胞有多种重新编程的代谢途径，这些代谢途径往往会走向极端。这个探针为我们研究与不同代谢途径相关的热活动提供了一种工具。”更多信息请注意浏览原文(s42003-019-0535-y.pdf)或者相关报道。

Abstract

Non-shivering thermogenesis through mitochondrial proton uncoupling is one of the dominant thermoregulatory mechanisms crucial for normal cellular functions. The metabolic pathway for intracellular temperature rise has widely been considered as steady-state substrate oxidation. Here, we show that a transient proton motive force (pmf) dissipation is more dominant than steady-state substrate oxidation in stimulated thermogenesis. Using transient intracellular thermometry during stimulated proton uncoupling in neurons of Aplysia californica, we observe temperature spikes of ~7.5 K that decay over two time scales: a rapid decay of ~4.8 K over ~1 s followed by a slower decay over ~17 s. The rapid decay correlates well in time with transient electrical heating from proton transport across the mitochondrial inner membrane. Beyond ~33 s, we do not observe any heating from intracellular sources, including substrate oxidation and pmf dissipation. Our measurements demonstrate the utility of transient thermometry in better understanding the thermochemistry of mitochondrial metabolism.