1.研究背景
线粒体是细胞的动力源，参与真核细胞的代谢调控、凋亡和能量产生等重要过程。作为一种高度动态的细胞器，线粒体不仅展现出丰富的形态结构变化，还伴随膜电位的变化。其中，线粒体的内膜向基质高度折叠，形成的嵴结构是能量转换的主要部位。此外，线粒体膜电位在内膜和外膜之间形成，调节着线粒体的功能活动。因此，嵴和膜电位分别从结构和功能两个角度反应线粒体状态，是线粒体活力的重要指标。线粒体嵴结构通常以低于100 nm的间距密集堆叠，这使得其观测依赖于超分辨成像技术，如受激发射损耗（STED）显微镜，可在活细胞中实现观测。然而，通用于检测线粒体膜电位的荧光探针往往缺少对线粒体膜结构的靶向性，难以实现结构上的超分辨成像。因此，线粒体嵴和膜电位的同步可视化仍然面临极大挑战，迫切需要一种既能靶向线粒体结构又能监测膜电位的超分辨成像荧光探针。
2.文章概述
针对以上挑战，上海交通大学王富教授团队与犹他大学臧泠教授团队合作，成功研发出一种带有阳离子基团的苝二酰亚胺小分子（MitoPDI-90），特别适用于线粒体的STED成像和膜电位监测。MitoPDI-90能轻松进入细胞，通过电荷靶向线粒体，展现出卓越的靶向能力。同时，该分子与线粒体内膜的结合大部分是可逆的，能够响应线粒体膜电位的变化，从而在活细胞中实现线粒体结构的超分辨成像和STED延时成像。此外，MitoPDI-90还能指示线粒体膜电位的动态变化，为活细胞中线粒体的功能研究提供了重要工具。
3.图文导读
图1. MitoPDI-90的化学结构和光谱特性。
图2. MitoPDI-90的线粒体荧光成像。
图3. MitoPDI-90用于活细胞线粒体STED超分辨成像。
图4. MitoPDI-90与其他膜电位探针的对比。
图5. MitoPDI-90用于同时监测线粒体超分辨结构和膜电位。
4.研究结论
本文提出了一种用于线粒体结构和膜电位成像的STED荧光探针，MitoPDI-90。该探针具备优异的光稳定性、生物相容性和高荧光量子产率，不仅能够支持活细胞中线粒体嵴的超分辨可视化，还可以应用于线粒体膜电位成像。因此，MitoPDI-90有望发展为一种卓越的线粒体探针，助力于超分辨结构和功能性成像的进一步研究。
论文信息：
Mitochondrial STED Imaging and Membrane Potential Monitoring with a Cationic Molecular Probe
Lu Gao, Rana Dalapati, Beibei Gao, Xiaoyu Huang, Dan Zhao, Fu Wang*, Ling Zang*
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202400525
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