局部加热的应用揭示了控制生物功能和操纵生物材料的巨大潜力。通过使用通常由金等贵金属制成的纳米颗粒的激光照射，在生物样品中产生热量变得可行，这种热量在空间和时间上都高度局域化。这种激光诱导加热最初被认为是等离子体相关应用中无意的热副作用，但最近，这种光诱导纳米颗粒加热已在实验研究中的一系列应用中得到应用。这种现象现在被称为热等离子体或等离子体加热，已经转变为一个有前途的新研究领域，在化学、物理学、

纳米颗粒的光散射和吸收是用于玻璃画着色的古老现象，但随着激光的出现和精确设计的等离子体纳米颗粒的合成，出现了在分子尺度上利用光和热的新机遇。加上生物材料对热的敏感性，热等离子体技术将允许对活细胞以及分子和仿生系统中的生物过程进行前所未有的操纵控制。(1)

热等离子体在生物系统中可用于不同的目的。激光照射纳米粒子产生的局部热量可以激活细胞传感，并已用于研究温度引起的神经元跨膜电位变化，从而诱导动作电位，(2)热休克蛋白（HSP）的激活，(3)和细胞分化的调节。(4)这些效应说明了操纵生物功能的潜力。此外，热等离子体可以在亚细胞或细胞水平上进行精确消融，已用于癌症的光热治疗(5)以及对活细胞局部加热引起的纳米级损伤的细胞膜修复的研究。(1)这种形式的热纳米外科手术也被证明可以有效地操纵仿生系统，例如用于研究膜-蛋白质相互作用的巨型单层脂质囊泡（GUV）的融合(6,7)或癌细胞与免疫细胞的选择性融合。(8)在分子水平上，热等离子体可用于研究和增强生物过程。局部加热在研究蛋白质变性效应以及 RNA 和 DNA 核苷酸杂交的热控制方面显示出前景。(9)这些分子水平的操作已在药物输送和其他治疗策略中得到应用。

热等离激元学的概念已无缝融入许多科学领域。我们建议感兴趣的读者阅读等离激元学的综合评论，特别关注化学和物理中的热等离激元学。(10−15)在这里，我们将首先简要介绍等离子体纳米粒子的光学加热，然后介绍热等离子体在几个科学领域的重要和最新应用，如图1所示，重点关注细胞、生物物理、分子和生物医学应用，包括光热治疗和药物输送。

图 1. 热等离子体在四个生物领域的应用。每个阴影区域都作为本次评论的一个主题进行讨论。

当光激发金属材料表面的自由电子时，就会发生表面等离子体共振，导致集体电子振荡和电荷位移。以纳米粒子为例（图2A），当金属中的自由电子受到空间限制时，这种激发会导致所谓的局域等离子体共振。当小球形金属纳米颗粒受到光照射时，振荡电场会导致传导电子相干振荡，从而产生振荡电荷偶极子，该偶极子与由颗粒形状、尺寸和材料特性决定的特定波长共振。在该谐振处，入射光的吸收显着增加，并且由于振荡电子云的热弛豫，在谐振处可以产生大量热量。金属纳米粒子将光转化为热的这种特性通常被称为热等离子体或等离子体加热。C ext )，定义为散射截面和吸收截面之和 ( C ext = C abs + C scat )。

图 2. 用于生物应用的等离子加热。(A) 等离子体纳米颗粒的激光照射会激发颗粒中的电子振荡，从而导致加热。加热在与颗粒的局域表面等离子体频率相对应的波长处达到最大值。(B) 球形和棒状金纳米粒子的光谱示意图，显示如何通过形状因子调整峰值吸收，以与生物组织最透明的波长（阴影区域）一致。(C) 分子和超分子应用的局部加热。在此，AuNP 的加热会导致膜穿孔、结合抗体的释放以及用于超快 PCR 的聚合酶激活。

嵌入介电常数为 ε m 的介电介质中并以波长 λ 照射的纳米颗粒的消光截面可以通过光学定理描述为(16)

其中V是颗粒的体积，ε m是介质的介电常数，ε 是频率 ω 下颗粒的介电常数，phi 是形状相关参数(17)对于球体来说等于 2。
基于后者，显然可以根据纳米颗粒的形状、尺寸和组成来调节局域表面等离子体共振（即颗粒的最大吸收和散射截面）。研究人员正在广泛探索所有这些参数，并产生了新颖的颗粒设计（壳、棒、星、立方体等），其在特定波长处的峰值吸收延伸到生物材料表现出最小吸收的近红外区域。

通过求解传热方程，(18)我们可以通过以下关系计算受辐照纳米颗粒附近的温度增加(19)

该表达式仅对小纳米颗粒有效。C abs是方程 2中的吸收截面，其定义为颗粒吸收的功率与总入射激光强度（每面积的功率）之间的比率。I是粒子上的激光强度，r是距粒子中心的距离，K是粒子悬浮的介质的热导率。上面给出了小颗粒的 Cabs ，但对于具有球形形状的较大颗粒，可以使用麦克斯韦方程组的米氏解找到吸收截面。(19)对于非球形颗粒，光学截面是通过使用有限元建模来计算的，这使得可以计算任何颗粒形状的吸收截面，这已经针对多种颗粒类型进行了证明。(12)

由于市售等离子体纳米颗粒的多样性，包括金纳米颗粒 (AuNP)、金纳米壳 (AuNS)、纳米材料、纳米星、纳米棒等，现在几乎可以选择在任何情况下具有大吸收截面的纳米颗粒。光学和近红外 (NIR) 范围内的波长（图 2 B）。用于光学加热应用的其他材料包括铂(20)和钛，(21)其表现出巨大的光热效应，并且由铂制成的纳米颗粒也已被光镊成功捕获。(22)纳米粒子的热效应高度集中在粒子附近（图 2C），使纳米粒子的热等离子效应成为适用于各种生物应用的极其通用和适应性强的工具，(23)我们将在下面讨论。

这里应该指出的是，超过~240°C的纳米级加热会导致颗粒表面产生气泡，从而极大地改变加热。这种气泡的寿命取决于尺寸，可在参考文献中分析解决 (24)。

此外，我们注意到集体效应可以通过两个粒子或许多粒子晶格之间的等离子体耦合发生。这可以拓宽热等离子体效应的参数。最近的热等离子体应用表明，当相同的纳米颗粒排列成周期性阵列时，它们可以支持称为晶格共振的集体模式。(25)与不支持共振条件的阵列相比，这些共振使每个粒子产生更大的温度升高，并且它们的吸收峰可以调谐到单个纳米粒子无法调谐的波长。

在下文中，我们将讨论热等离激元学中的许多重要应用，其中此类纳米颗粒已被用来回答生物学问题并作为操纵生物物质的工具。迄今为止，大多数应用都使用可以根据吸收共振波长进行调节的纳米壳和纳米棒，因此也可以用于近红外区域，但新型粒子的探索是一个活跃的研究领域。

等离激元纳米粒子的光捕获和加热的结合最近在蛋白质生物物理学的研究等应用中显示出巨大的潜力。特别是，对于蛋白质与膜相互作用的研究，热等离激元技术提供了一种独特的方法来控制蛋白质结合，并允许蛋白质结合的时间分辨成像和监测膜几何形状如何影响蛋白质募集。(7,26,27)热等离子体在这一领域的适用性在于激光加热的纳米颗粒能够通过膜融合或孔形成等方式重塑生物膜。热等离子融合的例子(27)（图3）包括膜结合蛋白如ESCRT的研究(26)或来自 IRSp53 的 I-BAR 结构域。(7)这些蛋白质被封装在由两性离子脂质制成的 GUV 中，随后通过热等离激元诱导的膜融合被递送至具有不同脂质成分、有利于蛋白质结合的其他囊泡（图 3 A）。类似的方法应用于跨膜流感病毒蛋白的膜相亲和力的研究。(6)这里，从表达荧光标记病毒蛋白的细胞中收获巨大的质膜囊泡（GPMV），然后将 GPMV 与相分离的 GUV 融合，从而可以研究蛋白质的横向分离（图3 B）。此类研究提供了一种独特的方法来研究整合膜蛋白的膜相亲和力，以及通过混合仿生膜和从细胞收获的天然膜来实时研究蛋白质的膜形状重塑。这种策略可以很容易地扩展到任何跨膜/整合蛋白的研究，包括来自其他病毒（如 SARS-CoV-1/2）的蛋白质。未来沿着这些方向进行的研究有很多，并且应该包括融合活细胞和仿生膜的可能性(28,15)并研究细胞功能，如膜修复。(1)

图 3. 用于研究蛋白质动力学的热等离子诱导生物膜重塑。(A) 通过使用微量移液器的抽吸与等离子体纳米颗粒的光学捕获相结合，可以通过局部加热相对膜之间的接触点来融合两个囊泡。下图显示了一个示例，其中管腔中含有 IRSp53（绿色）的 I-BAR 蛋白结构域的巨大单层脂质囊泡 (GUV) 与另一个由阴离子脂质组成的 GUV 融合。因此，融合的囊泡含有促进 IRSp53 结合的阴离子脂质。右下插图显示了从混合 GUV 拉出的纳米管内 IRSp53 的膜曲率传感。经参考文献许可对 A 组进行了改编 (7)。版权所有 2019 生物学家出版公司。(B) 表面上的囊泡之间也可以实现融合，如此处所示，其中巨大的质膜囊泡 (GPMV) 和 GUV 融合，以研究流感病毒中发现的整合膜蛋白的相亲和力。(6)首先，使用光阱将 GPMV 置于相分离的 GUV 附近。纳米颗粒被捕获在囊泡之间的接触点（顶部）后，融合发生，融合后（中），蛋白质和脂质在几秒钟内混合。融合后（底部），可以检测蛋白质对无序脂质相的亲和力。(6)

等离子体纳米颗粒造成纳米级膜损伤的能力已被用于将纳米颗粒递送至囊泡和细胞。(29,30)纳米颗粒通过光学方式注射到细胞膜上(29)和 GUV(30)通过使用脉冲激光，既触发颗粒上的轻压力，又通过局部加热软化膜，并促进跨膜输送（图 4 A）。最近，近红外连续波 (CW) 激光也用于膜穿孔，通过局部破坏膜并随后监测膜修复蛋白向纳米级损伤的环形环的募集来研究 GUV 和细胞中的孔形成（图 4 B） ，C）。(1)这种方法提供了一种独特的方法来研究存在或不存在蛋白质的情况下膜中孔形成的物理和生物学方面。通过局部加热以有序脂质状态存在的 GUV，可以应用更温和的等离子体加热来研究局部相行为。(31)这种策略解决了有关膜熔化引起的渗透性的离散性质的长期存在的问题(32)有待回答，并且还用于量化凝胶上纳米颗粒与流体脂质膜上的迁移率。(33)最近使用流体和凝胶膜与 7 nm 颗粒相互作用的粗粒模拟来模拟纳米颗粒热对膜的局部影响。(34)这些模拟表明，热量对双层的两个小叶有不同的影响，并导致纳米颗粒周围的膜弯曲和包裹。对纳米粒子与膜相互作用的完整理解仍然难以捉摸，需要做额外的工作来仔细设计可以准确建模的实验。

图 4. 使用热等离子体在生物膜中进行光注入和孔形成。(A) 使用 λ 为 532 nm 的 CW 激光注入 AuNP。首先利用光力将 AuNP 固定在细胞膜上。随后激光束聚焦在颗粒上，由于局部高温和光学力，促进了跨膜易位。A 组转载自参考文献 (29)。版权所有 2015 美国化学会。(B) 研究膜修复蛋白（GFP 标记的膜联蛋白，绿色）对 GUV 中膜孔形成的响应的实验示意图，通过光学捕获并随后加热膜附近的 AuNP，从而诱导孔。经参考文献许可对 B 组进行了改编 (1)。版权所有 2022 英国皇家化学学会。(C) (1) 图像显示包含膜联蛋白 A4 的完整 GUV（绿色）。(2) GUV 中诱导的膜孔中膜联蛋白 A4（绿色）的募集导致孔环处的局部富集和膜的弯曲。(3) 表达 GFP 标记的膜联蛋白 A5 的活细胞。(4) 热等离子诱导的细胞穿刺也会导致膜联蛋白 A5 在损伤部位周围募集。经参考文献许可对 C 组进行了改编 (1)。版权所有 2022 英国皇家化学学会。

蛋白质通过改变其结合和折叠动力学来响应热。玻尔兹曼统计预测了蛋白质在高温下的解折叠，涉及蛋白质功能的研究应该始终引起对局部高温引起的潜在不可逆分子损伤的担忧。然而，在涉及蛋白质和脂质研究的大多数应用中，热暴露的空间范围具有纳米级的长度尺度，并且在超出与颗粒半径对应的距离后迅速趋于平稳。此外，<1 秒的短暂暴露显着限制了分子损伤。由于细胞和 GUV 的尺寸均大于 10 μm，并且由可移动的脂质和蛋白质组成，因此仅短暂暴露于热量，因此估计总体分子损伤可以保持在最低限度。

在某些应用中，蛋白质结构的改变甚至损坏肯定会发生，甚至可能是预期的效果。研究发现等离激元纳米棒可以有效溶解由 Aβ 淀粉样蛋白形成的蛋白质聚集体，这种淀粉样蛋白在阿尔茨海默病患者的大脑中含量丰富。(35)体外研究证实，不同长度的 Aβ 纤维在与辐照金纳米棒结合时容易断裂、展开或发生其他结构变化。(36)加上纳米棒穿过血脑屏障（BBB）的改进，(37)这将为治疗阿尔茨海默病等神经退行性疾病患者提供治疗可能性。

输送到血流中的纳米颗粒倾向于被蛋白质冠装饰，这会影响纳米颗粒的循环寿命以及颗粒与感兴趣的细胞受体（靶向）的结合。研究人员在激光照射前后研究了涂有来自常用培养基的蛋白质的等离子体纳米粒子，该培养基含有胎牛血清（FBS），其类似于血液中的蛋白质成分。这项研究表明，由于颗粒表面蛋白质的变性和破坏，激光加热后蛋白质组成发生显着改变。(38)

我们得出的结论是，等离子体纳米粒子的生物物理应用作为解决有关蛋白质和生物膜的生物和生物物理功能问题的工具显示出了巨大的前景。受辐照的等离子体纳米颗粒产生的陡峭温度梯度使得以纳米外科精度操纵生物系统并使蛋白质降解保持在极其局部的状态成为可能。应用范围目前还处于早期阶段，未来的实验应该通过使用巧妙设计的纳米颗粒形状和尺寸以及引入像 Janus 颗粒这样的新型颗粒来进行定制。Janus 颗粒可以产生各向异性的热分布，并且已被证明在颗粒表面附近表现出高达 40 K/nm 的非常高的热梯度。(39)

分子和蛋白质的敏感性导致等离子体加热在分子系统中的大量应用。等离子体加热产生重大影响的一个应用是使用聚合酶链式反应 (PCR) 加速 DNA 分析。PCR是一种具有高特异性和敏感性的核酸扩增方法(40)已应用于从生物学到医学的各个领域(41)和农业。(42)该反应需要在靶序列去杂交和杂交所需的温度之间重复加热和冷却循环。传统的热循环仪采用基于帕尔贴元件的加热块，加热和冷却速率有限，因此整个扩增过程在 1-2 小时内完成。由于希望快速诊断 SARS-CoV-2 等病毒引起的病毒感染，因此使用等离子体加热提供了一种有前途的加速 DNA 或 RNA 检测的方法。(9)

可以使用热等离子体进行快速加热和冷却，并且最近产生了一种称为光子 PCR 的策略，该策略已成功用于加速 PCR。(9,43−46)等离子体纳米颗粒和等离子体基底均可用于快速热循环。Au 薄膜的等离激元激发在 5 分钟内产生 30 个连续的加热/冷却循环。(47)通过使用波长为 450 nm 的发光二极管 (LED) 照射 Au 薄膜，可实现12.79 ± 0.93 °C s –1的加热速率。当二极管关闭时，热量通过金膜散发，反应混合物以 6.6 ± 0.29 °C s –1的速率冷却。最近，使用纳米颗粒的快速热循环通过逆转录用于检测 SARS-CoV-2 RNA，方法是使用移动设备执行纳米 PCR，检测时间为 17 分钟（图5 A、B）。(9)尽管最近在加速热循环方面取得了进展，但值得注意的是，单个 PCR 循环的完成仍然面临 ~1 s 的时间限制，这是由 PCR 的动力学限制（如 DNA 变性、引物退火）决定的。和聚合酶延伸。(48)

图 5.分子生物学和微生物学中的热等离子体。(A) 等离子体纳米粒子的激光加热允许快速热循环以进行纳米 PCR。(B) 使用高速纳米 PCR 进行逆转录 PCR 检测 SARS-CoV-2 RNA。含有 RNA 和纳米粒子的管子的旋转轮旋转，以允许周期性激光照射管内容物，从而导致热循环。B 组经参考文献许可转载 (9)。版权所有 2020 施普林格自然。(C) AuNP 核苷酸的细胞摄取和细胞内释放机制。基于热机制和非热机制提出了两种释放机制。内吞包膜的非热破坏是基于脉冲激光照射期间蒸汽纳米气泡形成所产生的机械效应。较低脉冲能量的激光照射会导致加热，这取决于所吸收的粒子数量。因此，核苷酸的内体逃逸和基因沉默是细胞类型特异性的，如该图底部所示。C 组是根据参考文献修改的 (56)。版权所有 2020 爱思唯尔。(D) 使用 AuNR 的等离子体加热对手术网进行消毒。手术网片用 AuNR 进行功能化，随后接种金黄色葡萄球菌导致生物膜形成。(E) 激光照射杀死细菌，如扫描电子显微镜或细胞计数所示。面板 D 和 E 经参考文献许可转载 (62)。版权所有 2019 美国化学会。

等离子体加热已成功应用于药物输送，主要是为了释放与等离子体纳米结构缀合的分子内容物或促进质膜的渗透以允许小干扰RNA的流入。(49)特别是，使用与沉默 RNA 缀合的等离子体纳米结构进行基因沉默，(50)可以通过激光加热纳米结构来触发，并且在细胞研究中下调蛋白质合成方面显示出巨大的前景。(51,52)作为原理证明，绿色荧光蛋白 (GFP) 通常被选为干扰基因表达的靶标。其他更具生物学相关性的例子，已使用金纳米结构的等离激元加热成功下调，包括 HSP、(53)癌基因,(54)以及控制转录的蛋白质，如 NF-κB。(50)

药物输送的一个主要挑战涉及在输送目标药物期间必须穿透的两个膜屏障。纳米颗粒非常适合通过颗粒内吞作用携带药物穿过细胞膜。(55)一旦被内吞，纳米颗粒及其分子内容物就会被困在内体中，并且由于酶的降解和内体环境的低pH值，这些分子面临失去治疗效果的危险。已证明通过激光照射从内吞区室中释放是可行的，激光照射既可以通过例如核苷酸链的去杂交和内体膜的破坏来从纳米颗粒中释放分子。(56)然而，通过使用脉冲和连续激光测试分子释放，发现这两种逃逸现象背后的机制比简单的热触发释放更复杂。它被找到了(56)当使用高能脉冲时，脉冲激光可以更有效地沉默细胞中的基因表达。作者区分了脉冲能量较低时的热机制和脉冲能量足够高以导致蒸气纳米气泡 (VNB) 形成时的非热机制（图 5 C）。这一发现得到了其他研究的证实，这些研究发现脉冲激光触发释放的再现性和效率均高于连续激光。(57−59)相反，CW 激光触发的释放取决于内体内纳米颗粒的聚集状态，这对总光吸收有很大影响。王等人。(60)结论是，聚集的金纳米颗粒（尺寸约为 30 nm）的光学消光在 NIR 波长处显着增加，这是 PTT 的相关范围。有趣的是，纳米粒子的分子释放机制也可以通过其他非热效应进行，涉及由所谓的热电子产生的电化学效应(61)或在共振光照射过程中产生的光诱导自由基。(59)值得注意的是，连续波应用中使用的激光强度约为 10 W cm –2，这不足以从单个纳米颗粒产生任何显着的热量。然而，由于内体中存在大量紧密排列的纳米颗粒，加热程度增加；然而，内体加热的程度相当不确定，并且纳米颗粒的空间构型在这种环境中是不可控的。尽管这些研究提供了对纳米颗粒在细胞中加热过程中发挥作用的纳米级机制的一些见解，但我们强调需要使用例如仿生囊泡作为细胞和内体膜的模型进行进一步的机制研究。

热等离子体辅助灭菌和消毒是利用等离子体纳米颗粒产生热量通过分子靶点杀死病原体的其他新兴领域。等离子体纳米粒子可以功能化以识别并结合细菌壁上的特定目标，从而可以通过用激光照射样品来选择性杀死细菌群体内的细菌。(63)还建议通过等离子体辅助过热对手术植入物进行灭菌。由于细菌生长，常常会发生植入物污染。如果细菌生长进一步发展成生物膜，它就会对宿主免疫系统甚至抗菌剂产生更强的抵抗力。通过用等离子体金纳米棒装饰外科聚合物网，可以通过激光照射消除聚合物网表面形成的细菌生物膜，从而提出了现有生化方法的替代消毒方法(62)（图5D、E）。这种光热消毒最近已扩展到制造可重复使用的口罩。(64,65)这项创新是由全球对个人卫生的需求推动的，包括在 COVID-19 大流行期间佩戴口罩，这很快导致了专业口罩的短缺。因此，提出了使用可重复使用的口罩，其结构中利用等离子体纳米加热器，并利用相同的等离子体原理进行病原体净化。

尽管显微操作技术取得了新的发展，但研究和探测活细胞仍然具有挑战性。热等离子加热为单细胞询问和操作提供了全新的机会，而且允许研究分离的细胞和选择性干扰细胞培养物中的细胞，同时使相邻细胞不受影响。细胞外和细胞内的操作都是通过等离子体加热实现的，这是通过内吞作用有效地输送纳米颗粒而实现的。除了自然的内吞途径之外，热等离子激元还通过使用光触发注射为纳米粒子递送提供了一种有趣的替代方案。(29)为了避免细胞摄取金属颗粒并随后将颗粒截留在内涵体内，另一种方法可能是使用等离子体纳米腔基底，将细胞铺在其上，以在激光照射下提供非常大的分子和可能的纳米颗粒的高通量递送。(66)这种热等离子穿孔为新的原位单细胞纳米和显微外科手术铺平了道路。使用等离激元加热结合光学捕获和微量移液管操作，通过瞬时光诱导膜穿孔来操作和提取单个活细胞的细胞内细胞器(67)（图 6A）。通过控制光功率，可以通过在高温和温和温度下实现的各自的脂质流动性来实现诱导膜穿孔和膜修复。该应用是光加热和光捕获的完美结合，突破了单细胞水平的可能界限，从而将热等离子膜操纵提升到了另一个水平。

图 6. 使用热等离子体对单细胞进行光学操作。(A) 通过在细胞表面附近照射 AuNRs 使细胞穿孔。通过将光学捕获与微量移液器相结合，可以实现穿孔后的细胞内操作。A 组转载自参考文献 (67)。版权所有 2021 美国化学会。(B) 诱导神经突生长，(C) 通过等离子体加热询问神经元细胞信号传导。细胞与细胞之间的互连可以通过等离子体加热来消融，或者通过消融由含有等离子体纳米颗粒的热敏水凝胶组成的屏障来形成。C 组转载自参考文献 (2)。版权所有 2020 施普林格自然。(D) 用于贴壁细胞亚细胞机械驱动的活性基质材料。含有等离子体纳米粒子的热敏水凝胶在照射时收缩，从而拉伸粘附的细胞。D 组转载自参考文献 (68)。版权所有 2017 施普林格自然。

然而，使用热等离激元对细胞膜进行穿孔不仅与分子的递送相关，而且与细胞内细胞器的操作和提取相关。通过加热造成的纳米级膜损伤揭示了随后的细胞修复反应和所涉及蛋白质的动态，例如，激光诱导细胞穿刺后，膜联蛋白如何被募集到损伤部位(1)（图 4C）。膜联蛋白在各种癌细胞系中高度上调，因此是癌症治疗的靶点。该技术可用于研究其他膜修复蛋白，这些蛋白在识别膜修复机制中的成分方面发挥重要作用，从而开发新的治疗干预措施，以下调癌细胞中的膜修复机制。

多项研究表明，转录调控也可以通过单细胞上的热等离激元来调节。最近，研究证明纳米颗粒的热加热可以引导牙髓干细胞定向分化(69)通过调节线粒体代谢。使用激光加热铜纳米颗粒的类似方法被用来诱导间充质干细胞分化为成纤维细胞，从而加速伤口愈合。(70)传统上使用铜离子来触发这种分化，但通过使用铜纳米颗粒的激光照射，可以热诱导间充质分化，同时减弱血液中游离铜离子的副作用。肌管远程调节(71)和神经元(4,72)细胞分化也是利用等离激元加热实现的（图 6 B），虽然观察到的生物效应背后的机制仍然知之甚少，但研究表明，几种蛋白质是通过热改变的基因表达来调节的，包括 HSP 和其他应激敏感蛋白。(50,71)我们设想，等离子体加热将通过远程加热和无线刺激肌肉细胞，为基于干细胞的疗法和组织工程的研究提供有用的工具。为了更全面地了解局部热疗如何在不同细胞类型中发挥作用，未来的研究应该寻求阐明局部热如何改变细胞遗传状态的潜在机制。

等离子体加热已被广泛用于通过热触发细胞外环境的变化来操纵细胞。通过将细胞嵌入热敏水凝胶中，人们可以利用局部加热来打开和关闭细胞连接，从而可以研究细胞刺激如何在神经元细胞网络中传播。(2)为此，神经细胞被放置在一层金纳米棒上，可以通过激光照射进行局部加热。铺板的细胞被热敏水凝胶分开，因此，可以通过选择性消融凝胶的特定区域来允许选定的连接生长（图6C）。此外，该平台允许通过选择性消融现有神经连接（如局部热消融）来抑制神经元尖峰活动（图 6 C）。水凝胶的热诱导收缩也可用于通过在细胞粘附的聚合物柱之间嵌入收缩水凝胶来施加亚细胞机械应力(68)（图 6D）。虽然水凝胶为细胞研究提供了独特的操作工具，但我们也强调其他研究由于没有水凝胶而提供了更大的灵活性。例如，微图案等离子体衬底(72)或尖端带有金纳米棒功能的移动光纤，已成功用于选择性调节细胞培养物中的神经元信号。(73)

在这里，我们重点介绍了使用热等离子技术研究细胞培养的一些应用，但不难想象将基质工程的新发展与热等离子技术相结合的无限机会，这将为研究和操纵细胞-基质和细胞-细胞提供许多新应用互动。

纳米颗粒作为癌症治疗的光热剂现已被广泛研究，通常与药物输送相结合(5,74)或者与光动力疗法（PDT）结合使用，光吸收分子可以充当光敏剂，产生活性氧。(75,76)在光热治疗 (PTT) 过程中，纳米颗粒通过增强渗透性和保留 (EPR) 效应积聚在组织中的肿瘤部位，并用近红外光照射来消融癌细胞。(77)经过几年的动物测试和实验室研究，随着最近完成的临床试验的一些新的未发表的数据，光热疗法如今进入了一个新时代。这些数据表明，通过金纳米壳激光照射成功治疗了前列腺癌，且副作用极少。在这里，我们简要介绍了这些新结果以及该领域最近取得的一些进展，并指出了研究的方向，以改善这些智能治疗颗粒的临床应用。

PTT 的一个挑战是设计能够有效渗入癌症肿瘤环境的生物相容性纳米颗粒。(78)为肿瘤提供血液的渗漏脉管系统允许纳米颗粒（<200 nm）外渗到肿瘤组织中。纳米颗粒全身输送的最佳粒径约为 100-200 nm，而更小的纳米颗粒则通过肾脏系统清除。(79,80)已经采用了几种有前途的方法，通过用仿生涂层伪装纳米颗粒，使纳米颗粒逃避免疫系统，从而增加它们的循环时间和到达目标的可能性。在目标部位，照射后即可达到治疗效果，从而有效治疗小鼠肿瘤。这种治疗方法刚刚在一项使用金纳米壳测试肿瘤消融的临床试验中最终确定（临床试验NCT04240639）。(5,81)该试验中的患者静脉注射金纳米壳（总直径约 150 nm）。颗粒表面用短聚乙二醇（分子量为 6 kDa）钝化，用于逃避免疫，从而通过 EPR 效应在肿瘤中积累。随后用低功率近红外光（810 nm）照射可有效消融肿瘤，并且在长期随访观察过程中几乎没有观察到副作用。尽管该试验的数据尚未以最终形式发布，但该试验的初步数据可以在参考文献中找到 (81)，这清楚地表明了 PTT 对前列腺癌的令人信服的效果。

进一步的开发集中于测试作为前药的热等离子体颗粒。这些努力正在推动该领域走向临床更安全、副作用最小的治疗方法。(82)例如，研究人员开发了纳米粒子，这些纳米粒子在肿瘤部位被 H 2 O 2环境激活之前处于等离子体休眠状态，从而抑制粒子也可能积聚的其他组织中辐射的热效应(83)（图 7A）。最近，为了解决治疗颗粒的选择性和成像的局限性，已经提出了结合等离子体和磁特性的多模态系统。(84−86)最近发现，标记有64 Cu的两层金脂质体 (LAL)在肿瘤中表现出非常高水平的积累，同时在小鼠模型中对体内 PET 成像和 PTT 肿瘤消融也有效(87)（图 7B）。这种混合颗粒通过提供一个平台，同时充当成像造影剂和等离激元诱导的高温源，为下一代癌症治疗诊断铺平了道路。

图 7. 光热疗法中使用的等离子体加热以及用于触发药物输送中的释放。(A) 使用涂有银的金纳米星作为可切换前药的光热疗法。进入肿瘤环境后，由于肿瘤细胞中高水平的 H 2 O 2 ，​​银涂层被蚀刻掉。裸露的金纳米星在近红外波长区域表现出更高的吸收，因此在肿瘤环境中被激活。通过肿瘤和肌肉组织的热成像，在图表中显示了裸金纳米星和镀银纳米星之间测得的加热差异。A 组是根据参考文献修改的 (83)。版权所有 2021 英国皇家化学学会。(B) 由脂质体核心、金纳米颗粒外壳和额外的外部脂质双层合成的多层治疗诊断纳米颗粒。外部脂质双层用放射性同位素标记，用于正电子发射断层扫描 (PET) 成像。数据显示，使用含有脂质体和金 (AL) 的 PEG 脂质以及脂质体、金和外脂质双层 (LAL) 进行治疗可改善免疫逃避性并提高肿瘤部位的递送率。与生理盐水 (NS) 激光治疗相比，LAL 激光治疗显示出有效的肿瘤抑制作用，并且 PET 成像显示出有效的输送和成像能力。B 组转载自参考文献 (87)。版权所有 2021 施普林格自然。(C 和 D) 在药物输送中使用等离子体加热的一般方法。(C) 热触发释放与颗粒表面结合的分子货物，(D) 热触发含有药物的温度敏感材料（例如脂质体或水凝胶）的渗透性变化。

纳米粒子的等离子加热也在用于光触发释放治疗分子的药物递送领域中得到广泛研究，正如上面关于用于遗传干扰的小RNA的递送所讨论的那样。在药物输送中使用热等离激元技术有两种通用方法：(i) 将药物直接结合到纳米颗粒表面，这样当辐射导致系统加热时，药物就会被释放（图7 C），以及 (ii) 采用由水凝胶或脂质等制成的热敏药物容器，用于释放内容物(88,89)（图7D）。例如，具有金双锥纳米粒子的混合聚合物微载体已被用于在近红外辐射下释放糖尿病性视网膜病的治疗分子。(90)组合疗法已被证明是对抗癌细胞的有效策略，其中所讨论的热等离子效应用于药物或遗传物质的现场递送以及同时热诱导的高温。(91,92)这种方法有几个优点，包括癌细胞对热的敏感性以及某些药物在较高温度下的治疗效果更强。随着早期热等离子粒子系统已经进入临床试验，涉及热释放和热疗法的联合疗法的创新可能会继续下去。

该领域的未来前景包括基板工程的进一步发展和智能材料的开发，预计将激发热等离激元学的新应用。许多材料表现出高热敏感性，因此可以充当细胞内或与生物样本接触的材料中的热触发执行器。此外，本次审查中概述的现有策略还有其他应用。例如，应该可以使用内吞纳米颗粒来研究细胞内的细胞内或核修复，已知这些纳米颗粒在细胞摄取过程中沿着内吞途径从细胞表面向细胞核行进。此外，使用 GUV 热等离子融合的微化学具有超出本综述中生物物理应用所显示的巨大潜力。

临床试验现已证明光热疗法在癌症治疗中非常有效，而且副作用极少，未来的研究应集中于测试其他类型癌症的 PTT。癌症治疗的成功结果也将导致相同的 PTT 方法扩展到其他疾病，如参考文献中提到的阿尔茨海默病 (93)或噬菌体疗法，目的是杀死多重耐药细菌。(74)未来的发展还应​​关注受加热影响的分子机制(94)这将加强 PTT 与其他科学学科相结合的影响。