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Mitochondrien sind essentielle Organellen in eukaryotischen Zellen, die durch die Bildung von Adenosintriphosphat (ATP) als primäre Energielieferanten dienen und gleichzeitig eine Vielzahl anderer wichtiger Funktionen erfüllen, wie z. B. die Metabolitensynthese, die Pufferung von Kalziumionen, die Wärmeproduktion und die Regulierung des Zellüberlebens1. Ihre Rolle ist besonders wichtig in stark metabolischen Geweben wie Gehirn und Herz, wo sie zur Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase beitragen. Das mitochondriale Membranpotential (MMP, Ψm) ist für diese Prozesse von zentraler Bedeutung, einschließlich der Förderung der ATP-Synthese durch oxidative Phosphorylierung, der Erleichterung des Transports von Metaboliten und Ionen durch die Mitochondrienmembranen und des Beitrags zur Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS)2,3. MMP beeinflusst auch die mitochondriale Morphologie und Dynamik4, einschließlich der Mitophagie (dem selektiven Abbau von Mitochondrien)5und der Apoptose (programmierter Zelltod)6. Die Aufrechterhaltung eines angemessenen Ψm ist für die Zellfunktion unerlässlich; Seine Dysregulation ist mit zahlreichen Krankheiten verbunden, darunter neurodegenerative Erkrankungen, Herzinsuffizienz und Krebs. Derzeitige Methoden zur Messung von Ψm beruhten in erster Linie auf der Verwendung lipophiler kationischer Farbstoffe, einschließlich TMRM (Tetramethylrhodaminmethylester), TMRE (Tetramethylrhodaminethylester), Rhodamin 123, Safranin O, Rhodamin 800, DiOC6, JC-1 usw.7. Diese fluoreszierenden Moleküle haben jedoch mehrere Einschränkungen. Diesen Farbstoffen mangelt es an Zellspezifität, sie sind anfällig für Quenching und einige sind giftig. Darüber hinaus können sie im Laufe der Zeit diffundieren, und wenn mitochondriales ΔΨ verloren geht, treten sie aus, wodurch sie nicht mehr in der Lage sind, das Membranpotenzial depolarisierter Mitochondrien anzuzeigen. Darüber hinaus sind Rhodamin-basierte Farbstoffe wie TMRM und TMRE temperaturempfindlich8, was eine sorgfältige Berücksichtigung der Temperatureffekte auf die Farbstofffluoreszenz erfordert, insbesondere bei der Messung der mitochondrialen Membranspannung während physiologischer Aktivitäten, die die zelluläre Thermogenese betreffen.
Genetisch kodierte Spannungsindikatoren (GEVIs), Proteine, die in der Lage sind, Membranpotentialänderungen durch Fluoreszenzsignale zu erkennen 9,10, haben sich als leistungsfähige Werkzeuge zur Überwachung von Membranpotentialen in einer Vielzahl von zellulären Kontexten erwiesen11. Während GEVIs in großem Umfang zur Untersuchung von Plasmamembranen eingesetzt wurden, gab es nur geringe Fortschritte bei der Anpassung an sie zur Messung intrazellulärer Membranpotentiale, insbesondere für Mitochondrien. Dieses Protokoll versucht, diese Lücke zu schließen, indem mitochondriale zielgerichtete GEVIs verwendet werden, die das mitochondriale Membranpotenzial in vitro und in vivo überwachen können. Durch Hinzufügen einer mitochondrialen Signalsequenz zu den vorhandenen GEVIs kann eine geeignete GEVI auf die Mitochondrienausgerichtet werden 12. Diese mitochondrialen Potentialindikatoren (MPI) würden neue Einblicke in die mitochondriale Physiologie liefern und ein erhebliches Potenzial für die Erforschung der mitochondrialen Funktion in verschiedenen Krankheitszuständen in vivo bieten, um unser Verständnis darüber zu verbessern, wie die mitochondriale Dynamik sowohl zu normalen als auch zu pathologischen zellulären Prozessen beiträgt.