对细胞和生物体来说，应对复杂的环境变化是一个巨大的挑战，为了适应外界环境的变化，细胞进化出各种应激行为来维持自身的稳态。与单一变化的应激相比，细胞在渐变式、预处理和波动环境变化中表现出不同的适应行为。精确的温度控制在许多领域有着广泛的应用，例如细胞(植物、动物或微生物)的应激响应途径的研究，线虫的运动行为研究，果蝇胚胎的发育过程研究，温度引发的相分离机制研究等。然而，现有的生物热应激研究通常是在热处理一段时间后进行分析，忽略了动力学信号。此外，热处理条件通常是单一温度和群体水平，这限制了我们对细胞在复杂温度变化下的调节机制和生物应对行为的理解。从技术上讲，缺乏能够精确控制温度和复杂细胞生长形式的单细胞研究平台阻碍了我们对细胞和生物体在面对各种形式的温度变化时的反应策略的理解。

针对以上问题，北京大学定量生物学中心/物理学院罗春雄课题组开发了一种新型温控微流系统。该系统提出了一种新的芯片上集成热电偶的方式，将液态金属（EGaIn）和导电聚合物（75%Ag@Cu,25%PDMS）耦合形成微尺度热电偶以实现芯片上的温度测量。该方法具有成本低、制作工艺简单、不受设备和洁净环境限制的优点。设计的芯片集成了三个功能区域:细胞培养，加热和温度传感。采用STM32单片机，通过PID对芯片上的细胞培养区域温度进行精确的温度控制。结果表明，该方法易于实现台阶式、渐变式(加热时间可灵活设定)和周期性加热模式。该工作2024年8月7日在《Lab on a chip》上以正封面推荐文章发表，题目为“An integrative temperature-controlled microfluidic system for budding yeast heat shock response analysis at the single-cell level”（图1）。

图1 芯片的整体示意图（lab on a chip正封面推荐）

该温控微流系统的工作原理如图2所示，当热电偶的热端和冷端存在温差时，就会产生热电势信号。集成芯片ADS1262对电位信号进行放大，并将其转换为数字信号传输给单片机STM32，信号再通过串口传输到计算机上的软件，软件可实现实时温度显示、目标温度、加热时间和加热方式的设定、数据存储等功能。温度控制原理采用工程上常用的PID算法，以目标温度与当前温度之间的误差作为PID控制算法的输入。加热模块L298N控制脉宽调制(PWM)信号的输出，从而调节加热丝的加热功率来控制目标区域的温度。加热模块的电源可由恒压5v充电头提供。

图2 温控微流系统的工作原理图

经测量，该系统的热电偶的Seebeck系数为2.12μV/K，与柔性液态金属热电偶（S=0.11μV/K）相比，热电性能有显著提升，而且该系统可实现温度波动小于±0.2℃的台阶、渐变和周期振荡加热模式。通过该温控微流系统，课题组获得了酵母转录因子Msn2在不同加热方式下应对高温(37℃)刺激的核荧光信号的变化（图3），初步验证了该温控平台用于酵母细胞蛋白质动力学行为研究的可行性。值得注意的是，该温度控制系统在探索细胞或生物体的温度相关机制方面具有很大的应用潜力。

图3 不同温度变化形式下出芽酵母细胞中Msn2的核定位。(A)不同形式的温度变化(台阶、渐变和周期振荡)。(B)不同温度变化形式下酵母细胞的延时显微镜图像。转录因子Msn2的位置由GFP指示。标尺尺寸为5 μm。(C)三个典型单细胞中Msn2转录调控的定位轨迹(D) Msn2转录调控的定位轨迹。粗线表示样本为20-30个单细胞在核内亮度的中位数。

北京大学物理学院23级博士生洪洁为本文的第一作者，北京大学定量生物学中心/物理学院罗春雄教授为本文的通讯作者，参与者还包括中科院温州研究院硕士生何浩，北京大学物理学院本科生徐胤嘉。该工作获得了国家自然科学基金、重点研发项目及人工微结构与介观物理重点实验室的资助和支持。

原文链接：An integrative temperature-controlled microfluidic system for budding yeast heat shock response analysis at the single-cell level - Lab on a Chip (RSC Publishing)