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12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 concentrationdependent fluorescence lifetime changes。该研究利用荧光寿命成像（FLIM）技术对2020年自主研发的PK Mito DeepRed荧光探针染色的线粒体进行成像，发现PKMDR的荧光寿命变化可灵敏反映线粒体膜电位。该技术能以高时空分辨率可视化线粒体呼吸状态，可观察单个细胞内部、类器官及组织的线粒体膜电位异质性，还能可视化线粒体运输的过程，在多种细胞中揭示了不同区域线粒体的代谢活性差异。

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2022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。