全光学金刚石加热-测温技术实现单细胞水平离子通道的精准热调控

《Biophysical Journal》：All-optical Diamond Heater-Thermometer enables versatile and reliable thermal modulation of ion channels at the single-cell level

本研究针对单细胞微观尺度温度精准调控的技术难题，开发了一种基于金刚石加热-测温仪（DHT）的全光学测温技术，结合膜片钳技术实现了对Nav1.5钠离子通道的快速可重复热调制。该技术通过光纤耦合的金刚石探头，在HEK293细胞和心肌细胞中成功调控钠电流峰值和衰减时间，为研究细胞内热源相关生理过程提供了新工具。

　　

在生命科学领域，温度作为基本的热力学参数，对细胞功能具有深远影响。然而，在微观尺度实现对单个细胞的精准温度控制一直是个技术难题。传统方法如珀尔帖效应加热系统存在温度响应慢、空间分辨率低等问题，难以满足对快速离子通道（如电压门控钠通道）研究的需要。特别是在研究Brugada综合征、热射病等与温度相关的疾病时，缺乏可靠的单细胞水平温度调控工具严重限制了相关机制研究的深入。

为解决这一难题，瑞士伯尔尼大学和NanThermix公司的研究团队在《Biophysical Journal》上发表了一项创新性研究，开发了一种全光学金刚石加热-测温仪（Diamond Heater-Thermometer, DHT），实现了单细胞水平的精准温度调控。该设备通过在玻璃微管尖端嵌入含有硅空位（SiV）中心的金刚石颗粒，同时具备加热和测温功能，且与膜片钳技术完美兼容。

研究团队采用的关键技术方法包括：金刚石加热-测温仪（DHT）设备，该设备通过520纳米激光激发硅空位中心荧光实现温度测量，并通过金刚石颗粒吸收激光产生热量；使用稳定表达人Nav1.5通道的HEK293细胞系和新鲜分离的小鼠心室肌细胞作为研究对象；通过全细胞膜片钳技术记录钠电流（I_Na）和动作电位；采用统计学方法对温度效应进行定量分析。

实验结果显示，在HEK293细胞中，随着DHT产生的热脉冲温度升高（从21.0°C至55°C），Nav1.5通道的峰值电流逐渐增加，而电流衰减时间显著缩短。这种效应仅在表达Nav1.5通道的细胞中观察到，野生型HEK293细胞则无此反应，证明温度调控的特异性。研究人员通过主动热循环实验进一步验证了该技术的可靠性和可重复性，即使在55°C的高温脉冲下，细胞仍能保持良好活性。

在心肌细胞实验中，研究人员发现Nav1.5通道对温度变化更为敏感，峰值电流增幅较HEK293细胞更大。动作电位记录显示，温度升高使最大振幅时间缩短，动作电位时程（APD₉₀）延长，上升支速度增加，这与钠电流增加的观察结果一致，而静息膜电位和APD₃₀、APD₅₀则无明显变化。

讨论部分指出，与传统加热方法相比，DHT技术具有显著优势：温度响应时间从分钟级缩短至秒级，空间分辨率达到微米尺度，且对细胞损伤更小。该技术为研究细胞内源性热源（如离子通道焦耳热、离子泵、线粒体等）产生的纳米尺度温度梯度提供了可能，有望更新当前对细胞内超局部热力学效应的认知。

研究结论强调，金刚石加热-测温仪为单细胞水平温度调控提供了创新解决方案，成功实现了对Nav1.5通道的快速、可重复热调制。该技术的"即插即用"特性使其易于与现有电生理系统整合，为研究温度敏感性离子通道、细胞内热力学过程及相关疾病机制开辟了新途径。未来通过进一步缩小DHT尺寸至纳米尺度，可能揭示更多与内源性热源相关的生理现象。