Reasonable Design of Near-Infrared Boron Dipyrromethene with Cationic Pyridinium for Super-Resolution Imaging of Dynamic Voltages of Mitochondria in Living Cells

吡啶 硼 红外线的 纳米技术 线粒体 阳离子聚合 化学 材料科学 生物物理学 光学 生物化学 高分子化学 生物 物理 药物化学 有机化学
作者
Jianglin Wang,Lu Zhang,Huan He,Pengfei Zhang,Feng‐Lei Jiang
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
卷期号:10 (9): 6828-6839 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acssensors.5c01636
摘要

Mitochondrial membrane potential (ΔΨ m ) is a critical regulator of cellular homeostasis and an established biomarker in mitochondrial dysfunction. While super-resolution fluorescence imaging reveals intrinsic links between mitochondrial ultrastructure and function, prolonged monitoring of the dynamic ΔΨ m remains constrained by the scarcity of photostable voltage-sensitive probes. Here, we designed and synthesized three water-soluble near-infrared boron dipyrromethene (BODIPY) probes ( o/m/p MePy-BDP ). These cationic pyridinium-functionalized probes exhibit specific mitochondria localization (Pearson’s colocalization coefficient >0.93), high photostability (<15% intensity loss after 15 min laser irradiation), and exceptional biocompatibility. When integrated with structured illumination microscopy (SIM), they resolved mitochondrial cristae ultrastructure at 0.24 μm resolution and captured real-time ΔΨ m fluctuations during fusion/fission (∼15 mV shifts) and mitochondria-lysosome contact (MLC). Semiquantitative submitochondrial models further revealed voltage gradients (150–170 mV) across cristae junctions, challenging the classical “homogeneous ΔΨ m ” paradigm. The probes’ compatibility with multiplexed imaging enabled continuous ΔΨ m tracking during mitophagy, uncovering transient bioenergetic hotspots. This work bridges nanoscale mitochondrial dynamics to disease mechanisms, providing tools to dissect pathologies from neurodegeneration to cancer.
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