博主按：生物量热学（biological calorimetry）是通过测量生物体系热效应来研究生命过程的经典学科。长期以来，它受限于灵敏度和通量，难以在细胞乃至单细胞尺度开展精细研究。但过去五六年里，这一局面正在被深刻改变。本文梳理2020—2026年间生物量热学最具代表性的几项重要新进展，难免以偏概全，仅供同行参考。

一、单细胞量热：从“能不能测”到“测得准”

单细胞代谢热极其微弱，长期是量热学的“禁区”。2025年，日本九州工业大学Umeno与Yabuki开发了一种基于自支撑微通道的纳米量热器，热量分辨率达到1 nW，成功直接测量了单个草履虫（Paramecium multimicronucleatum）的代谢热，测得值为7—15 nW，且随细胞质量增大而增加^[1]。这项工作首次在单细胞尺度上实现了非侵入、无标记的代谢热直接测量。

2026年，密歇根大学Panda等人在 Cell Reports Methods 上报告了纳瓦级分辨率的生物量热器，首次直接测量单个活体果蝇大脑的代谢热输出^[2]。研究发现，年轻雌性果蝇大脑代谢率显著高于雄性（约10%—15%）；帕金森病模型 parkin 突变体大脑代谢输出降低约15%；且大脑质量归一化代谢率约为卵巢和精巢的2.5倍。从草履虫到果蝇脑，单细胞/单器官量热正从概念验证走向可重复的定量分析。

二、间接量热法的“共识时刻”

间接量热法（indirect calorimetry）是研究整体能量代谢的核心手段，但长期以来不同实验室之间的方案差异导致结果可比性不足。2025年，国际间接量热共识委员会（IICCC）在 Nature Metabolism 发表了迄今最全面的预临床间接量热实验共识指南，系统规范了实验设计、数据采集和结果报告标准^[3]。该指南由数十位代谢领域学者共同参与制定，旨在建立统一标准，使间接量热实验及其分析产生更一致、更可重复的结果。对于依赖间接量热法的生物量热学研究而言，这是一项基础设施级别的进展。

三、棕色脂肪产热机制的量热学新发现

棕色脂肪组织（BAT）的产热研究是生物量热学与代谢生理学交叉最活跃的领域之一。2025年，Nature Metabolism 发表的一项研究揭示了血红素生物合成对BAT支链氨基酸分解代谢和产热的调控作用，通过间接量热法系统测量了O₂消耗、CO₂产生和能量消耗等参数。此外，有研究团队开始采用等温微量热法（ITC）直接量化脂肪细胞球体、新鲜分离脂肪细胞及完整脂肪组织外植体的产热^[4,5]，为传统间接量热法提供了互补性的直接热测量手段。该研究系统评估了CalScreener等温微量热平台在多种脂肪模型中的适用性，模型包括脂肪细胞球体（adipocyte spheroids）、新鲜分离的脂肪细胞以及完整脂肪组织外植体，证实了该方法可直接量化产热。论文明确指出ITC“为量化代谢热输出提供了一种无标记方法”，并证明了其在“直接量化细胞和完整组织产热代谢”方面的实用性^[4]。另外，ITC也被用于骨与关节感染病原菌的抗菌药敏快速检测^[6]。

四、代谢标度理论的热不对称性新认知

在理论层面，代谢标度理论（MTE）在21世纪20年代经历了重要修正。2025年发表于 Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics 的综述指出^[7]，光合作用与呼吸作用之间的“热不对称性”可能并不像此前认为的那样显著——最新证据表明，陆地植物中光合作用的活化能未必与呼吸作用有本质差异，表观不对称性可能反映的是这些过程对生物量积累和种群增长等高阶过程的不同影响。这一认识对以代谢热为纽带连接个体与生态系统尺度的模型构建具有重要意义。

小结与展望

2020—2026年间，生物量热学在四个方向上取得了实质性突破：单细胞/单器官量热技术将检测极限推进至纳瓦级；间接量热法的标准化共识为跨实验室比较奠定了基础；棕色脂肪产热研究在分子机制层面不断深入；代谢标度理论则对热不对称性这一核心假设进行了实证检验。随着量热器件的进一步微型化和多模态整合，生物量热学将在细胞代谢异质性、衰老与疾病代谢标志物以及生态系统能量通量建模等前沿问题上发挥越来越关键的作用。

参考文献

[1] Umeno R, Yabuki T. Single-cell thermal analysis: Measuring the metabolic heat of Paramecium multimicronucleatum with a freestanding microchannel nanocalorimeter. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2025, 242: 126850. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.126850. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.126850

[2] Panda K, Mittapally R, Chen Q, et al. Direct quantification of the metabolic heat output of individual Drosophila brains. Cell Reports Methods, 2026. DOI: 10.1016/j.crmeth.2026.101501. https://doi.org/10.1016/j.crmeth.2026.101501

[3] Banks AS, Allison DB, Alquier T, et al. A consensus guide to preclinical indirect calorimetry experiments. Nature Metabolism, 2025, 7: 1765–1780. DOI: 10.1038/s42255-025-01360-4. https://doi.org/10.1038/s42255-025-01360-4

[4] Schots PC, Kesharwani D, Doucette CC, Brown AC. Direct Measurement of Adipose Thermogenesis by Isothermal Microcalorimetry. Cells, 2026, 15(7): 579. DOI: 10.3390/cells15070579. https://doi.org/10.3390/cells15070579

[5] Bokhari MH, Halleskog C, Åslund A, et al. Isothermal microcalorimetry measures UCP1-mediated thermogenesis in mature brite adipocytes. Communications Biology, 2021, 4: 1108. DOI: 10.1038/s42003-021-02639-4. https://doi.org/10.1038/s42003-021-02639-4

[6] Christensen MH, Jakobsen TH, et al. Antimicrobial susceptibility testing of bone and joint pathogens using isothermal microcalorimetry. APMIS, 2024, 132(11): 814–823. DOI: 10.1111/apm.13470. https://doi.org/10.1111/apm.13470

[7] Stark J, et al. Scaling temperature effects on metabolism from individuals to ecosystems. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, 2025, 56: 543–569. DOI: 10.1146/annurev-ecolsys-102622-032335. https://doi.org/10.1146/annurev-ecolsys-102622-032335

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