随着全球人口老龄化日益加重，神经退行性疾病（ND）的发病率和死亡率迅速增加。帕金森病(PD)、阿尔茨海默病(AD)、亨廷顿舞蹈病(HD)等神经退行性疾病的共同病理表现为毒蛋白蓄积造成的神经元损伤。基于不断增长的临床需求，对神经元线粒体的动态监测技术已成为ND药物研发的急迫需求。线粒体功能障碍在ND发生、发展过程中发挥了重要作用。原发性线粒体异常出现在毒蛋白蓄积和疾病临床症状之前。随着ND进展，毒蛋白逐渐沉积并诱发继发性线粒体功能障碍，例如酶活性受损和线粒体蛋白质稳态改变。在ND后期阶段，线粒体损伤加剧，严重的线粒体功能障碍会导致神经元死亡并造成认知损伤。因此，可视化神经元线粒体状态对于监测ND进程和评估候选药物疗效均具有重要作用。荧光显微成像具有灵敏度高、操作简单、时空分辨率高等诸多优势，已广泛应用于线粒体功能研究。由探针和显微镜构成的荧光成像平台通过动态监测线粒体形态、功能变化，为ND的精确诊断和候选药物疗效评估提供新工具。
药学院李聪教授团队对近年来报道的靶向ND线粒体功能异常的荧光成像工具进行了系统总结，该工作以题为《可视化神经退行性疾病线粒体异常的荧光显微成像平台》（Fluorescence microscopic platforms imaging mitochondrial abnormalities in neurodegenerative diseases）的综述文章发表在《Advanced Drug Delivery Reviews》杂志。该工作首先揭示了神经退行性疾病发生、发展过程中神经元线粒体在代谢、结构和功能发生的异常特征，阐述了跨尺度、多层次监测线粒体异常的荧光显微镜平台，总结了用于可视化线粒体结构、代谢和功能异常的多功能荧光探针，最后讨论了荧光显微技术在监测ND进展及创建线粒体靶向药物中的挑战。
神经退行性疾病的线粒体病变表现在代谢异常、功能异常和结构异常三个阶段。（1）ND早期，神经元线粒体能量代谢异常，ATP产生减少，活性氧增加，氧化应激损伤明显；（2）ND发展中期，线粒体表现出膜电位改变、自噬缺失和相关酶活性下降等功能性异常；（3）ND后期，线粒体表现肿胀、嵴数量减少、碎片增多等结构异常。对上述线粒体异常行为可视化对研究ND发生、发展有重要作用。
图1. 荧光显微成像平台监测神经元线粒体代谢、功能和结构异常为研究神经退行性疾病发生发展机制和药物筛选提供新工具
荧光显微技术是可视化线粒体异常的重要工具。超分辨荧光显微镜、多光子荧光显微镜和荧光寿命显微镜在成像神经元线粒体中具有优势。例如，超分辨显微镜中的受激辐射损耗（STED）显微镜的成像分辨率可以突破衍射极限，达到20–80 nm，有利于成像线粒体超微结构。多光子荧光显微镜的优势在于高组织穿透性和长时程成像，有利于脑组织的深层成像。荧光寿命显微镜基于荧光寿命成像，具有灵敏度强，信噪比高等优势。文章介绍了上述荧光显微镜优势特点及其在线粒体可视化方面的应用。此外，开发高特异性、高信噪比的荧光探针是可视化线粒体异常的关键。文章列举了用于线粒体结构、代谢和功能成像的荧光探针，总结了其观察线粒体异常机制和制备方法。响应性荧光探针具有识别线粒体代谢微环境能力，实现对ROS、ATP、NAD(P)H及Ca2+等线粒体标志性代谢物的特异性监测。荧光探针成功揭示ND神经元线粒体的酶活性水平、pH异常、氧化应激损伤等多种特征性病理变化，为ND线粒体成像提供了有力工具。
尽管荧光显微成像技术在ND线粒体可视化领域取得进展，但其在精准成像和临床转化方面存在挑战。首先，构建针对线粒体安全、灵敏、亲和力强的荧光探针仍然困难。其次，探针血脑屏障通透性低是临床转化的重要阻碍。此外，与CT、磁共振等影像技术相比，荧光成像穿透力较低，难以透过头骨进行脑疾病无创成像。上述问题的解决将促进荧光技术临床应用，实现神经元线粒体功能评价和ND早期诊断。
复旦大学药学院博士生王艺澄、王鹏威为该论文的第一作者。复旦大学药学院李聪教授为通讯作者。该工作获得国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金和上海市科技重大专项的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.addr.2023.114841
