Temperature is a fundamental thermodynamic property that can serve as a probe of biochemical reactions. Extracellular thermometry has previously been used to probe cancer metabolism and thermoregulation, with measured temperature changes of ~1–2 K in tissues, consistent with theoretical predictions. In contrast, previous intracellular thermometry studies remain disputed due to reports of >1 K intracellular temperature rises over 5 min or more that are inconsistent with theory. Thus, the origins of such anomalous temperature rises remain unclear. An improved quantitative understanding of intracellular thermometry is necessary to provide a clearer perspective for future measurements. Here, we develop a generalizable framework for modeling cellular heat diffusion over a range of subcellular-to-tissue length scales. Our model shows that local intracellular temperature changes reach measurable limits (>0.1 K) only when exogenously stimulated. On the other hand, extracellular temperatures can be measurable (>0.1 K) in tissues even from endogenous biochemical pathways. Using these insights, we provide a comprehensive approach to choosing an appropriate cellular thermometry technique by analyzing thermogenic reactions of different heat rates and time constants across length scales ranging from subcellular to tissues. Our work provides clarity on cellular heat diffusion modeling and on the required thermometry approach for probing thermogenic biochemical pathways.

温度是一种基本的热力学性质，可以作为生化反应的探针。细胞外温度测量法以前曾被用于探测癌症代谢和体温调节，在组织中测得的温度变化约为 1-2 K，与理论预测一致。相比之下，之前的细胞内温度测定研究仍然存在争议，因为有报道称，超过 1 K 的细胞内温度升高超过 5 分钟或更长时间，这与理论不一致。因此，这种异常温度升高的起源仍不清楚。有必要对细胞内温度测量进行更好的定量理解，以便为未来的测量提供更清晰的视角。在这里，我们开发了一个通用框架，用于在一系列亚细胞到组织长度尺度上对细胞热扩散进行建模。我们的模型表明，只有在外源刺激时，局部细胞内温度变化才能达到可测量的极限 (>0.1 K)。另一方面，即使来自内源性生化途径，组织中的细胞外温度也可以测量（> 0.1 K）。使用这些见解，我们通过分析从亚细胞到组织的长度尺度上不同热速率和时间常数的产热反应，提供了一种选择合适的细胞测温技术的综合方法。我们的工作明确了细胞热扩散建模和探测产热生化途径所需的温度测量方法。1 K) 在组织中甚至来自内源性生化途径。使用这些见解，我们通过分析从亚细胞到组织的长度尺度上不同热速率和时间常数的产热反应，提供了一种选择合适的细胞测温技术的综合方法。我们的工作明确了细胞热扩散建模和探测产热生化途径所需的温度测量方法。1 K) 在组织中甚至来自内源性生化途径。使用这些见解，我们通过分析从亚细胞到组织的长度尺度上不同热速率和时间常数的产热反应，提供了一种选择合适的细胞测温技术的综合方法。我们的工作为细胞热扩散建模和探测产热生化途径所需的温度测量方法提供了清晰的信息。