《自然医学》：使我们更深刻了解线粒体的新技术

　　

The micrograph shows a peripheral nerve, with the neuromuscular endplates stained in red. The nerve-cell mitochondria were imaged with a fluorescent redox sensor (green in the cytoplasm, yellow at the endplates).

生物通报道：线粒体的氧化还原信号（redox signaling）在神经元生理和疾病中发挥至关重要的作用。目前，一种新型成像技术，可为氧化还原信号和活性氧（reactiveoxygen species）在活体神经元线粒体中的实时作用，提供深刻见解。由慕尼黑工业大学（TUM）和慕尼黑大学（LMU）的科学家开发出的这种新型光学显微镜技术，解开了“氧化应激（oxidative stress）”在健康和受损神经系统中的作用。相关研究结果于2014年4月20日发表在国际知名期刊《自然医学》（Nature Medicine）。

活性氧是重要的细胞内信号分子，但是其作用方式是复杂的：在低浓度时它们能调节细胞功能和行为的关键方面，而在高浓度时，它们能够引起“氧化应激”，这会损伤细胞器、细胞膜和DNA。为了分析氧化还原信号在单细胞和细胞器中如何实时呈现出来，LMU教授Martin Kerschensteiner和TUM教授Thomas Misgeld的研究小组共同开发了一种创新的光学显微镜技术。

Kerschensteiner称：“我们的新型光学方法，使我们能够将重要细胞器线粒体在活体组织中的氧化还原状态实时可视化。”线粒体是细胞的发电厂，将营养物质转化成可用能量。在早期的研究中，Kerschensteiner和Misgeld获得的证据表明，线粒体的氧化性损伤可能会引起炎性疾病（如多发性硬化症）中的轴突破坏。

这种新方法可让研究人员以高时空分辨率，记录单个线粒体的氧化状态。Kerschensteiner解释了开发这项技术背后的动机：“氧化还原信号具有重要的生理功能，但也会造成伤害，例如当其以高浓度存在于免疫细胞周围时。”

第一个惊喜
Kerschensteiner和Misgeld利用氧化还原敏感的绿色荧光蛋白（GFP）变体作为可视化工具。Thomas Misgeld称：“通过将它们与其他生物传感器和活体染料相结合，我们能够建立一种方法，使我们能够同时监测氧化还原信号和线粒体钙电流，以及穿过线粒体膜的电位变化和质子（pH）梯度。”

研究人员已经将这种技术应用于两种实验模型，并已经获得了一些出人意料的结果。一方面，他们首次能够在哺乳动物神经系统中研究响应神经损伤（在这个例子中是脊椎损伤）的氧化还原信号感应。观察结果表明，切除轴突可导致线粒体发生一波氧化作用，这开始于损伤部位，并沿着纤维传播。此外，研究证明，在轴突切除部位的钙离子流对于随后的线粒体功能损害是必不可少的。

也许这项新研究最令人惊讶的结果是，该研究的第一作者——研究生Michael Breckwoldt，第一次能将伴随有细胞器氧化还原状态快速转变的线粒体自发收缩影像化。Misgeld解释说：“这似乎是一种自动防故障装置系统，被激活来响应应激和暂时抑制线粒体的活性。在病理条件下，收缩的时间更长，并可能变成不可逆的，最终这会导致对神经过程无法弥补的损害。”（生物通：王英）

延伸阅读：《Cell Reports》：治疗线粒体疾病的潜在靶标。

生物通推荐原文摘要：
Multiparametric optical analysis of mitochondrial redox signals during neuronal physiology and pathology in vivo
Abstract: Mitochondrial redox signals have a central role in neuronal physiology and disease. Here we describe a new optical approach to measure fast redox signals with single-organelle resolution in living mice that express genetically encoded redox biosensors in their neuronal mitochondria. Moreover, we demonstrate how parallel measurements with several biosensors can integrate these redox signals into a comprehensive characterization of mitochondrial function. This approach revealed that axonal mitochondria undergo spontaneous 'contractions' that are accompanied by reversible redox changes. These contractions are amplified by neuronal activity and acute or chronic neuronal insults. Multiparametric imaging reveals that contractions constitute respiratory chain–dependent episodes of depolarization coinciding with matrix alkalinization, followed by uncoupling. In contrast, permanent mitochondrial damage after spinal cord injury depends on calcium influx and mitochondrial permeability transition. Thus, our approach allows us to identify heterogeneity among physiological and pathological redox signals, correlate such signals to functional and structural organelle dynamics and dissect the underlying mechanisms.