Nat Commun | 陈知行团队发展新技术直接成像线粒体膜电势及代谢异质性

2025 年 1 2 月 12 日， 北京大学陈知行课题组在 Nature Communications 杂志上发表最新研究成果

Imaging mitochondrial membrane potential via concentration

dependent fluorescence lifetime changes

线粒体作为细胞的“能量工厂”，其膜电势（ MMP ）直接决定氧化磷酸化效率，与衰老、神经退行性疾病、肿瘤等密切相关。传统检测手段如 TMRM 依赖荧光强度读数，易受探针浓度、光散射、样本厚度干扰； JC-1 则存在信号弱、校准繁琐等问题，难以捕捉亚细胞水平的代谢异质性，更无法满足厚样本（如组织、胚胎）的精准成像需求，成为线粒体功能研究的关键制约。

陈知行团队 依托北京大学 未来技术学院、分子医学研究所、国家生物医学成像科学中心、北大 - 清华生命科学联合中心、膜生物学全国重点实验室 ， 长期深耕 活细胞 荧光探针研发 。 此次创新性地将自主开发的 低光毒性 远红光探针 PKMDR 与荧光寿命成像（ FLIM ）技术结合，打造了 PKMDR-FLIM 成像系统， 一定程度上 解决了传统 线粒体膜电势检测方法 的痛点。 PKMDR 具有独特的浓度依赖性荧光寿命特性： 线粒体 膜电势 高时 ，带正电的 PKMDR 受电化学驱动富集于线粒体 内膜，浓度淬灭导致荧光寿命缩短；低膜电势下探针分散， 荧光 寿命延长 （图 1 ） 。这种“浓度 - 寿命”的直接关联，让 FLIM 技术实现了膜电势 检测 ， 部分 摆脱了荧光强度成像的固有干扰。同时， PKMDR 具有 低光毒性、高光稳定性的优势，支持长时程动态追踪而不损伤细胞。

图 1 . PKMDR -FLIM 反映线粒体膜电势的原理

PKMDR-FLIM 技术在多 种 样本中展现普适性与精准度。在细胞层面，它清晰捕捉到 HUVEC 细胞外周线粒体代谢更活跃、神经元胞体与轴突末端膜电势差异等亚细胞异质性；在组织与胚胎层面，其荧光寿命信号不受光散射和样本厚度影响，成功绘制了脑类器官、肿瘤切片中的代谢分布图，揭示了小鼠早期胚胎从 4 细胞阶段开始的细胞间代谢分工，解决了厚样本成像信号失真的难题（图2）。在功能验证中，该技术在衰老细胞、 T 细胞激活、胚胎发育等多种模型 均能 精准反映线粒体代谢状态的动态变化，为研究代谢异质性与生理病理过程的关联提供了直接证据。

图 2 . 利用 PKMDR-FLIM 技术 成像 小鼠 胚胎 线粒体 的异质性

PKMDR-FLIM 实现了线粒体代谢的时空动态可视化。它不仅能区分不同细胞、组织的代谢差异，还能追踪单个线粒体的膜电势 瞬时变化 ，以及线粒体在神经元中的运输与代谢状态关联，为解析线粒体功能调控机制提供了全新视角（图3）。

PKMDR-FLIM 利用 荧光分子 高 浓度 导致荧光寿命降低 这一 现象，将其转化为线粒体膜电势的敏感、 高效实用的成像工具 ， 突破了传统线粒体膜电势检测的多重局限。 PKMDR-FLIM 技术兼具高时空分辨率、低光毒性、多样本适用性等优势，为线粒体代谢研究、疾病机制解析及药物筛选提供了强有力的工具。

图 3. 利用 PKMDR-FLIM 长时程成像 观测 线粒体膜电势 动态 变化

北京大学 未来技术学院 20 22 级博士生 迪丽扎泰·赛米 为本文 第一作者 ， 北京大学未来技术学院、北大 - 清华生命科学联合中心、膜生物学重点实验室陈知行副教授为该文的通讯作者。 文章得到了 清华 大学 孟安明 课题组 、 北京大学 陈良怡 课题组 和 北京生命科学研究所蒋辉 课题组 的大力支持 。

PKMDR-FLIM 技术简单易用，探针可从 南京浦海景珊生物技术有限公司 获得（国际用户详询 瑞士 Spirochrome 公司 ）。研究者只要可以使用 FLIM 仪器，就可以通过简单的染色（ 250 nM ， 15 min ）、 洗涤 、成像流程，获得多种活细胞线粒体代谢时空异质性的信息。本成果有望进一步推动线粒体 代谢研究进入更高精度的量化时代 ， 最终惠及广大 细胞与代谢 领域研究工作者。

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

制版人： 十一

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