2025 年 1 2 月 12 日， 北京大學(xué)陳知行課題組在 Nature Communications 雜志上發(fā)表最新研究成果

Imaging mitochondrial membrane potential via concentration

dependent fluorescence lifetime changes

線粒體作為細(xì)胞的“能量工廠”，其膜電勢（ MMP ）直接決定氧化磷酸化效率，與衰老、神經(jīng)退行性疾病、腫瘤等密切相關(guān)。傳統(tǒng)檢測手段如 TMRM 依賴熒光強(qiáng)度讀數(shù)，易受探針濃度、光散射、樣本厚度干擾； JC-1 則存在信號弱、校準(zhǔn)繁瑣等問題，難以捕捉亞細(xì)胞水平的代謝異質(zhì)性，更無法滿足厚樣本（如組織、胚胎）的精準(zhǔn)成像需求，成為線粒體功能研究的關(guān)鍵制約。

陳知行團(tuán)隊(duì) 依托北京大學(xué) 未來技術(shù)學(xué)院、分子醫(yī)學(xué)研究所、國家生物醫(yī)學(xué)成像科學(xué)中心、北大 - 清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、膜生物學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ， 長期深耕 活細(xì)胞 熒光探針研發(fā) 。 此次創(chuàng)新性地將自主開發(fā)的 低光毒性 遠(yuǎn)紅光探針 PKMDR 與熒光壽命成像（ FLIM ）技術(shù)結(jié)合，打造了 PKMDR-FLIM 成像系統(tǒng)， 一定程度上 解決了傳統(tǒng) 線粒體膜電勢檢測方法 的痛點(diǎn)。 PKMDR 具有獨(dú)特的濃度依賴性熒光壽命特性： 線粒體 膜電勢 高時 ，帶正電的 PKMDR 受電化學(xué)驅(qū)動富集于線粒體 內(nèi)膜，濃度淬滅導(dǎo)致熒光壽命縮短；低膜電勢下探針分散， 熒光 壽命延長 （圖 1 ） 。這種“濃度 - 壽命”的直接關(guān)聯(lián)，讓 FLIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了膜電勢 檢測 ， 部分 擺脫了熒光強(qiáng)度成像的固有干擾。同時， PKMDR 具有 低光毒性、高光穩(wěn)定性的優(yōu)勢，支持長時程動態(tài)追蹤而不損傷細(xì)胞。

圖 1 . PKMDR -FLIM 反映線粒體膜電勢的原理

PKMDR-FLIM 技術(shù)在多 種 樣本中展現(xiàn)普適性與精準(zhǔn)度。在細(xì)胞層面，它清晰捕捉到 HUVEC 細(xì)胞外周線粒體代謝更活躍、神經(jīng)元胞體與軸突末端膜電勢差異等亞細(xì)胞異質(zhì)性；在組織與胚胎層面，其熒光壽命信號不受光散射和樣本厚度影響，成功繪制了腦類器官、腫瘤切片中的代謝分布圖，揭示了小鼠早期胚胎從 4 細(xì)胞階段開始的細(xì)胞間代謝分工，解決了厚樣本成像信號失真的難題（圖2）。在功能驗(yàn)證中，該技術(shù)在衰老細(xì)胞、 T 細(xì)胞激活、胚胎發(fā)育等多種模型 均能 精準(zhǔn)反映線粒體代謝狀態(tài)的動態(tài)變化，為研究代謝異質(zhì)性與生理病理過程的關(guān)聯(lián)提供了直接證據(jù)。

圖 2 . 利用 PKMDR-FLIM 技術(shù) 成像 小鼠 胚胎 線粒體 的異質(zhì)性

PKMDR-FLIM 實(shí)現(xiàn)了線粒體代謝的時空動態(tài)可視化。它不僅能區(qū)分不同細(xì)胞、組織的代謝差異，還能追蹤單個線粒體的膜電勢 瞬時變化 ，以及線粒體在神經(jīng)元中的運(yùn)輸與代謝狀態(tài)關(guān)聯(lián)，為解析線粒體功能調(diào)控機(jī)制提供了全新視角（圖3）。

PKMDR-FLIM 利用 熒光分子 高 濃度 導(dǎo)致熒光壽命降低 這一 現(xiàn)象，將其轉(zhuǎn)化為線粒體膜電勢的敏感、 高效實(shí)用的成像工具 ， 突破了傳統(tǒng)線粒體膜電勢檢測的多重局限。 PKMDR-FLIM 技術(shù)兼具高時空分辨率、低光毒性、多樣本適用性等優(yōu)勢，為線粒體代謝研究、疾病機(jī)制解析及藥物篩選提供了強(qiáng)有力的工具。

圖 3. 利用 PKMDR-FLIM 長時程成像 觀測 線粒體膜電勢 動態(tài) 變化

北京大學(xué) 未來技術(shù)學(xué)院 20 22 級博士生 迪麗扎泰·賽米 為本文 第一作者 ， 北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院、北大 - 清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、膜生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳知行副教授為該文的通訊作者。 文章得到了 清華 大學(xué) 孟安明 課題組 、 北京大學(xué) 陳良怡 課題組 和 北京生命科學(xué)研究所蔣輝 課題組 的大力支持 。

PKMDR-FLIM 技術(shù)簡單易用，探針可從 南京浦海景珊生物技術(shù)有限公司 獲得（國際用戶詳詢 瑞士 Spirochrome 公司 ）。研究者只要可以使用 FLIM 儀器，就可以通過簡單的染色（ 250 nM ， 15 min ）、 洗滌 、成像流程，獲得多種活細(xì)胞線粒體代謝時空異質(zhì)性的信息。本成果有望進(jìn)一步推動線粒體 代謝研究進(jìn)入更高精度的量化時代 ， 最終惠及廣大 細(xì)胞與代謝 領(lǐng)域研究工作者。

https://www.nature.com/articles/s41467-025-66042-x

制版人： 十一

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