从分子到疾病：线粒体动力学研究取得新突破

北京德泉

2024/09/05 18:22

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作为细胞的“能量工厂”，线粒体在维持能量稳态方面发挥重要作用，可以调控蛋白质、脂质、溶质和代谢物产物的进出，并保护细胞质免受有害线粒体产物的影响。线粒体通过不断的分裂和融合，维持线粒体形态、分布和数量，维持细胞稳态，该过程被称为线粒体动力学。线粒体动力学的病理改变可导致生物能量功能受损和线粒体介导的细胞死亡，并与多种病理机制相关，包括缺血性心肌病、糖尿病、肺动脉高压、阿尔兹海默症等。

线粒体大小和形状取决于它们在细胞内的位置以及不同细胞对能量的需求。当线粒体发生损伤时，它的形态和完整性会发生改变，如线粒体的数量、大小、长度和形状等。

高内涵成像分析系统非常适合进行线粒体表型和结构的研究：

共聚焦成像和水镜可以提高成像质量并更好地显示线粒体结构。

磁悬浮载物台和环境控制帮助完成长时间线粒体动力学追踪。

高内涵的图像分析工具可以帮助科研工作者获得不同表型的数字特征。

线粒体表型和结构重排的分析模块可用于线粒体动力学为基础的细胞研究。

线粒体动力学研究

线粒体形态、膜电位和氧化还原状态已被用于识别功能化合物或遗传扰动的影响。然而过去的研究仅侧重于提取有限数量的形态特征，导致大量有助于改善目标识别的信息丢失。在刚刚发表于 Nature Computational Science 上的文章中^【1】，浙江大学药学院王毅教授团队引入时间维度来评估暴露于不同化合物的线粒体形态和膜电位。研究者通过使用 ImageXpress Micro Confocal 高内涵成像分析系统对线粒体形态和膜电位进行长时间成像，建立了用于监测时间分辨线粒体图像的流程，产生了包含 570,096 个单细胞图像的数据集，以用于后续的大规模药物发现。

单细胞延时图像拍摄的三通道 TMRM, MtEGFP 和 Hoechst 33342。持续时间 60 分钟，时间间隔为 4 分钟。

单细胞经 DMSO、卡维地洛(carvedilol)和顺铂(cisplatin)处理 60 分钟的线粒体延时图像采集。

线粒体完整性和融合度测定

用高内涵成像系统的共聚焦模式和 40X 水镜拍摄活细胞的图像后使用 MetaXpress 高内涵分析软件中的“Find Fibers”模块识别细长的线粒体，使用“Granularity”模块识别圆形颗粒，用于计算各种化合物对线粒体完整性的剂量效应和有效浓度。

经化合物处理的线粒体功能多维度评估

高通量自动化获取多维数据并分析是高内涵的典型应用，利用氯喹 Chloroquine（可抑制线粒体再循环），鱼藤酮 Rotenone（氧化磷酸化抑制剂）和缬氨霉素 Valinomycin（钾离子载体，可破坏线粒体膜电位）等药物处理 PC12 细胞后，可使用上述软件对线粒体的功能进行评价，包括完整性、荧光强度、长度等。

对照组 A、缬霉素 B、鱼藤酮 C

Molecular Devices 高内涵成像分析系统适用于各种细胞模型中化合物的药物开发或毒性评估。使用高内涵成像和高级图像分析的线粒体动力学分析方法不仅可以量化线粒体的表型变化，而且这种多参数方法也可用于研究正常和病理结构变化以表征疾病模型或复合效应。

参考文献

1.Yu, M., Li, W., Yu, Y. et al. Deep learning large-scale drug discovery and repurposing. Nat Comput Sci 4, 600–614 (2024). https://doi.org/10.1038/s43588-024-00679-4

关于美谷分子仪器

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