Mitochondrial Dyes with Balanced Permeability-Fixability for Live, Fixed, and Expanded Multicellular Imaging

化学 多细胞生物 线粒体通透性转换孔 线粒体 生物物理学 共焦显微镜 细胞生物学 线粒体融合 活体细胞成像 共焦 细胞 合理设计 超微结构 显微镜 磁导率 生物化学 纳米技术 树枝状大分子 固定(群体遗传学)
作者
Jingting Chen,Yue Ma,Peng Chen,Biaoyi Yu,Ying Yu,Zhenzhen Zhang,Xiaomin Zhang,Buqing Ye,Jianzhong Xi,Xiaohong Peng,Zhixing Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (37): 40556-40567
标识
DOI:10.1021/jacs.6c16881
摘要

Abstract Mitochondrial inner-membrane ultrastructure plays a central role in cellular metabolism, aging, and cell death. However, super-resolution imaging of mitochondria after fixation remains challenging: commercially available fixable probes often lack sufficient reactivity for strong retention during fixation, whereas state-of-the-art probe PKMO FX, despite high fixation efficiency, suffers from low cellular permeability due to the introduction of highly hydrophilic groups. Here, we overcome this “permeability-fixability trade-off” by introducing a rational design strategy centered on amide-to-ester substitution. We report mitochondrial probes, PK Mito 590 FIX and PK Mito 647 FIX, which leverage optimized lipophilic ester linkages to achieve rapid mitochondrial labeling kinetics (labeling within 10 min) and superior aldehyde cross-linking efficiency (>90% signal retention). This molecular engineering enables a seamless transition from live-cell dynamics to post-fixation super-resolution microscopy with unprecedented signal-to-background ratios. Crucially, the enhanced permeability of these probes unlocks post-fixation imaging of multicellular samples, allowing the visualization of mitochondrial architectures within patient-derived cell clusters and isolated mouse islets. Furthermore, we demonstrate that these probes withstand the harsh polymerization conditions of expansion microscopy (ExM), democratizing mitochondrial ultrastructural imaging via standard confocal platforms. Collectively, this toolkit bridges the gap between physiological dynamics and structural definition, offering a versatile platform for multiscale interrogation of mitochondrial biology in both adherent cells and complex multicellular systems.
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