构建聚合物分子温度计，实现细胞内温度和钙离子同时检测分析

注：文末有本文科研思路分析

细胞内温度是细胞的基本特性，亦与氧化磷酸化过程中ATP水解作用和细胞内离子泵有关；同时，医学研究发现：温度变化与细胞神经递质释放、癌症的发病机制密切相关。细胞内的温度分析研究有助于促进对细胞神经递质释放的理解，而钙离子作为活细胞中重要的信号分子，在信号转导和神经递质释放中也扮演着重要的角色。因此，研究温度与钙离子浓度的变化关系将有助于研究人员从分子层次来进一步认识疾病的发病机制。

不过，迄今为止，探索细胞内温度与钙离子的变化关系及对其进行同时检测分析研究的方法尚未见报道，因此，构建一种可同时检测分析细胞内温度和钙离子的策略非常重要且极具挑战。一方面，在细胞内温度传感分析中要克服传统温度计的缺点，它需要满足高温度分辨率和高空间分辨率的要求且不应受复杂的细胞内环境的影响；另一方面，采用已报道的数种钙离子荧光探针，如：基因编码荧光蛋白、基于上转换材料的纳米颗粒探针及Fluo-4 AM （FAM）荧光探针等，虽然可以实现钙离子的灵敏分析，但尚未开发出一种可同时检测胞内温度和钙离子的探针，进而阻碍了人们深入了解细胞内产热过程中温度和钙离子变化之间的关系。

图1. 聚合物分子温度计的设计及温度和钙离子同时检测分析机理示意图。

中国科学院化学研究所的齐莉研究员（点击查看介绍）课题组前期已经开发了一系列聚合物基质分子温度计并成功地应用于细胞内的温度变化研究（Biosens. Bioelectron., 2016, 85, 403-413; Anal. Chem., 2018, 90, 12553-12558）。在此基础上，为了解决细胞内温度与钙离子同时变化关系研究中的难题，该课题组构建了一种可同时检测分析胞内钙离子和温度变化的聚合物基质荧光探针。姜黄素具有高亲和力和高量子产率的特性，但却因水溶性较差限制了其在细胞内温度检测中的应用，针对此不足之处，该课题组首先构建了PNIPAm-VPBA聚合物，进而利用VPBA的酚羟基与姜黄素（C）共价键合，制备得到了水溶性良好的荧光聚合物分子温度计，解决了此瑕疵。值得一提的是：通常钙离子探针FAM在应用时需要在检测体系中加入二甲基亚砜或表面活性剂来提升其水溶性，这会对活细胞产生不良作用。为改善FAM的溶解度，该课题组利用PNIPAm-VPBA易于形成胶束的特点，将FAM包覆于聚合物胶束中，在改善FAM水溶性的同时实现了胞内钙离子与温度的同时检测分析（图1）。与已报道的工作相比，该课题组所发展的新型PNIPAm-VPBA-C-FAM荧光探针在活细胞温度和钙离子的同时检测分析方面表现出明显优势。

为了考察所构建的新型聚合物基质荧光探针对于胞内温度及钙离子同时检测的实用性，采用荧光成像方法研究了在氧化磷酸化抑制剂FCCP刺激下细胞内的温度及钙离子的变化，发现：在FCCP刺激细胞10分钟内，钙离子浓度降低了5.7 µM（图2）而温度升高了约1.0 ℃。这些结果表明：采用所构建的PNIPAm-VPBA-C-FAM新型荧光探针不仅对开展胞内温度和钙离子的同时检测分析研究提供了新思路，也为细胞内神经递质的代谢、人类情绪的改变与温度变化之间的关联研究奠定了基础。

图2. FCCP刺激后细胞内钙离子浓度变化

上述成果发表在Analytical Chemistry 上，论文第一作者为乔娟副研究员，通讯作者为齐莉研究员，该研究得到了韩国浦项科技大学的Dong-Pyo Kim教授的帮助和支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Simultaneous Monitoring of Temperature and Ca²⁺ Concentration Variation by Fluorescent Polymer during Intracellular Heat Production

Juan Qiao, Yoon-Ho Hwang, Dong-Pyo Kim, Li Qi

Anal. Chem., 2020, 92, 8579-8583, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c01534

导师介绍

齐莉

https://www.x-mol.com/groups/Qi_L

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们最初的研究目的是考察细胞内温度及其相关的生理活性物质的变化关系，前期已构建了一系列聚合物分子温度计。进一步深入研究发现：需要构建温度与其它生理活性物质的同时检测分析方法才能从根本上解决胞内温度变化是如何影响生理活性物质变化的难题。因此，我们采用将聚合物分子温度计与钙离子荧光探针相结合的策略，即能克服FAM探针的瑕疵，又能实现温度与钙离子的同时检测分析。为胞内温度及相关生理活性物质的研究提供了一条新途径。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是如何将钙离子探针与聚合物分子温度计有机结合起来而又使其荧光性能不互相影响。我们设计制备的PNIPAm-VPBA-C分子温度计的荧光发射波长与FAM钙离子探针的荧光发射波长相互不影响；而进一步构建的PNIPAm-VPBA-C-FAM荧光探针还能有效解决FAM在细胞研究中存在的溶解度较差的难题。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：这项工作是基于人类情感与温度关系的研究项目而开展。因此，研究成果可为深入理解胞内温度与神经递质的同时释放关系及神经退行性疾病的病理机制提供研究基础。我们相信随着细胞温度与胞内多种生理活性物质的关系的揭示，必将为人体温度变化及神经递质相关疾病等复杂的情感问题研究提供新途径，并将对医药及生命科学相关研究领域的发展产生推动作用。