本記事は査読論文の要点をQiita向けに整理した解説です。
Kotaro Oyama, Mizuho Gotoh, Yuji Hosaka, et al. (2020) Journal of General Physiology 152(8): e201912469.
DOI: https://doi.org/10.1085/jgp.201912469
TL;DR
- “細胞の外側から”温度を測るために、厚さ約50 nmのPMMAナノシートに、温度依存性染料（EuTTA）と温度非依存性染料（Rhodamine 101, Rh101）を共担持。
- EuTTA/Rh101の蛍光比で自己補正（ラショメトリ）→ pH/イオン強度/接触干渉等の非熱的要因をキャンセル。≥100 Hz相当（10.5 ms）の応答で、0.01 °C級の微小変化を追跡可能。
- 非興奮性細胞（HeLa/HEK293）：培地との差は<0.2 °C。RYR1変異の恒常的Ca²⁺リークでも>0.1 °Cの上昇は見られず。
- イオノマイシンではER近傍が局所的に>2 °C上昇する一方、細胞表層（ナノシート側）は±0.2 °C以内。
- 興奮性細胞：心筋（2 Hz）±0.01 °C、海馬ニューロン（0.25 Hz）±0.03 °Cの揺らぎのみ。
- 結論：単一細胞はほぼ等温で、代謝・輸送で生じる熱は1 µmオーダーに局在。“温度勾配はあるが全体温度は上がらない”ことを実証。
背景：なぜ“細胞外”で測るのか
細胞内温度計（色素/タンパク質/ナノ粒子）はpH・イオン強度・粘性・膜電位・局所屈折率など非熱要因に影響されやすく、1 °C級の“温度むら”報告の解釈が難しいという課題がありました。
発想の転換：温度プローブを細胞の外（基板側）に置き、細胞を上に載せて温度を読む。これならプローブはバッファで隔離され、非熱要因の直撃を避けられます。
技術のコア：蛍光温度計ナノシート
構成
- 基材：PMMA（ポリメタクリル酸メチル）スピンコート、厚み 52.3 ± 4.7 nm、表面粗さ 0.36 ± 0.04 nm。
-
色素：
- EuTTA（温度依存）：36 °C近傍で–3.42%/°C。
- Rhodamine 101（温度非依存）：–0.06%/°C。
- ラショメトリ感度（EuTTA/Rh101）：–3.35%/°C（36 °C）。
- 安定性：pH 5–9で±0.5%以内、NaCl 0–450 mMで±1.5%以内。
- 応答：IRレーザーの局所加熱に1フレーム（10.5 ms）で追従 → ≥100 Hz測定が可能（制限はカメラ側）。
何を“消す”のか（自己補正の要点）
- 細胞は干渉反射や接触幾何で蛍光強度が見かけ上低下しがち（固定細胞でも起こる）。
- EuTTAとRh101は同じ方向に影響を受けるため、比（EuTTA/Rh101）を取ると非熱要因が相殺され、温度だけを残せます。
温度への換算（実務式）
- 参照温度（例：36 °C）での比を $( R_{\mathrm{ref}} )$、観測比を $( R )$ とすると、
$$
\Delta T \approx
\frac{
\dfrac{R - R_{\mathrm{ref}}}{R_{\mathrm{ref}}}
}{
-0.0335\ \mathrm{^{\circ}C^{-1}}
}
$$
※ –3.35%/°C = –0.0335 / °C（36 °C近傍）。装置毎にキャリブレーション必須。
実験デザインと主要結果（抜粋）
1) 非興奮性細胞（HeLa/HEK293）
- 生細胞と培地の温度差（全体温度）は< 0.2 °C（95%CI 0.12–0.19 °C相当）。
- RYR1（R164C/Y523S）発現による恒常的Ca²⁺リークでも> 0.1 °Cの上昇は検出されず（95%CI 0.07–0.12 °C）。
2) Ionomycin（Ca²⁺バースト）
- ERターゲット温度計（ER thermo yellow）ではER局所が > 2 °C上昇。
- しかしナノシート側（細胞表層のグローバル温度）は±0.2 °C以内。
→ 発熱は“超局所的”で、表層まで届く前に散逸。
3) 興奮性細胞
- ラット新生児心筋（2 Hz刺激）：±0.01 °C（比の揺らぎ ±0.03%）。
-
ラット海馬ニューロン（0.25 Hz）：±0.03 °C以内。
→ 拍動/発火で細胞全体の温度はほぼ不変。
4) ミトコンドリア脱共役（CCCP 10 µM）
- 心筋/褐色脂肪細胞いずれも、ナノシート比は±0.1 °C相当で安定。
- 局所色素は非熱要因の影響も受けうるため、グローバル温度の判定はナノシート比に依存するのが安全。
解釈：細胞は「ほぼ等温」、温度勾配は「1 µmスケール」
- 計算（熱収支）と一致：単一細胞の代謝出力（~100 pW）では全体温度はほぼ上がらない。
- SERCA等のATPase近傍では~1–2 °Cの局所温度勾配が立つが、空間的に急峻で短距離で消える。
- 平均化（画素/時間/細胞全体）は温度変動を見えなくするため、分解能とラショメトリが鍵。
再現のための実装メモ
- ナノシート作製：PMMA（10 mg/ml）＋EuTTA（5 mg/ml）＋Rh101（2.5–12.5 µg/ml）をクロロホルム溶解 → 3,000 rpm, 10 sでスピンコート。
- 顕微鏡：倒立＋EMCCD、60×/1.45 NA油浸、励起360–370 nm（EuTTA）/561 nm（Rh101）。
- 温度制御：36 °C恒温ステージ。
- 前処理：細胞付着による見かけのF変動を除くため、“有細胞/無細胞”で正規化→EuTTA/Rh101比を算出。
- 退色補正：指数 or 2次式フィット（条件により適宜）。
- キャリブレーション：25–40 °Cで直線回帰し、個体差を含めて装置毎に感度を確定。
Pitfalls（落とし穴）
- DMSO（0.1%）でEuTTA蛍光が上がる → 比で評価。
- 細胞の形態変化/剥離は見かけの蛍光変動を生む → 比＋幾何学補正。
- “点測定”色素は非熱要因の影響を受けやすい → ナノシート比で全体温度、局所温度は別途（例：ER thermo yellowの寿命/スペクトルでクロスチェック）。
何が新しいのか（研究的含意）
- “細胞は温まらないのか？”問題に対し、外側からの2色自己補正でグローバル温度不変を定量化。
- 拍動心筋/ニューロンでも実時間0.01–0.03 °C級を実証。
- 理論（熱拡散/発熱量）と実験の整合が向上し、“等温＋局所温勾配”という描像を支持。
応用の見取り図
- オルガノイド/細胞シートの非侵襲温度マッピング。
- 温熱刺激（IR-LEGO等）×シグナリングの入出力解析（Ca²⁺/膜電位/代謝）。
- 薬理/遺伝子介入がサーマル・フェノタイプへ与える影響を高速・広視野でスクリーニング。
使い方チートシート
- 感度曲線（EuTTA/Rh101, –3.35%/°C@36 °C）を自分の系で取り直す
- 有細胞/無細胞を同視野で必ず取得
- 比画像のみで温度議論（単チャネルのFは見ない）
- ±0.1 °C以内を読むときはフレーム平均/拍動アラインでS/N↑
- 溶媒・pH・イオン強度は事前に検量
論文情報・引用
Single‑cell temperature mapping with fluorescent thermometer nanosheets.
Kotaro Oyama, Mizuho Gotoh, Yuji Hosaka, Tomoko G. Oyama, Aya Kubonoya, Yuma Suzuki, Tomomi Arai, Seiichi Tsukamoto, Yuki Kawamura, Hideki Itoh, Seine A. Shintani, Toshiko Yamazawa, Mitsumasa Taguchi, Shin’ichi Ishiwata, Norio Fukuda.
Journal of General Physiology 152(8): e201912469 (2020).
DOI: https://doi.org/10.1085/jgp.201912469
@article{Oyama2020NanosheetThermometry,
title = {Single-cell temperature mapping with fluorescent thermometer nanosheets},
author = {Oyama, Kotaro and Gotoh, Mizuho and Hosaka, Yuji and Oyama, Tomoko G. and
Kubonoya, Aya and Suzuki, Yuma and Arai, Tomomi and Tsukamoto, Seiichi and
Kawamura, Yuki and Itoh, Hideki and Shintani, Seine A. and Yamazawa, Toshiko and
Taguchi, Mitsumasa and Ishiwata, Shin'ichi and Fukuda, Norio},
journal = {Journal of General Physiology},
year = {2020},
volume = {152},
number = {8},
pages = {e201912469},
doi = {10.1085/jgp.201912469}
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