企业风采 | 超视计科技:MI-SIM 助力揭示脓毒症心肌损伤中线粒体自噬流紊乱与炎症放大双循环机制
本文转载自“超视计科技”微信公众号
编者按
脓毒症是由感染诱发的危及生命的全身炎症反应综合征,其诱导的心肌功能障碍是推高脓毒症死亡率的核心驱动因素,现有临床治疗手段疗效十分有限,同时线粒体质量失衡如何从心肌局部损伤扩散至全身、介导多器官衰竭的病理机制,长期以来尚未得到明确阐释。
近期,重庆医科大学附属第二医院段晨阳教授团队联合陆军军医大学、新加坡国立大学等机构,在国际顶级期刊《PNAS》刊发题为 "Microvesicle release drives cycles of mitophagy flux disruption and inflammatory amplification in sepsis-induced myocardial dysfunction" 的研究论文。该研究揭示了脓毒症状态下,心肌细胞释放携带线粒体成分的微囊泡,进而形成“自噬流阻滞-炎症放大”双恶性循环的全新病理机制,首次提出“局部损伤-全身传播”的疾病扩散范式,为脓毒症心肌功能障碍及后续多器官损伤的干预治疗提供了全新靶点与干预策略。
本研究基于盲肠结扎穿刺(CLP)小鼠模型与脂多糖(LPS)处理的 HL-1 心肌细胞模型,系统解析了脓毒症心肌损伤的分子通路。脓毒症状态下,DRP1 蛋白发生转位及翻译后修饰的异常改变,介导线粒体过度分裂与活性氧(ROS)大量累积;大量升高的 ROS 进一步通过激活 RIP1/RIP3 通路阻断线粒体自噬流,导致受损线粒体无法被及时清除、细胞能量代谢持续紊乱,最终构成胞内损伤的正反馈循环。被 p62 标记的未降解自噬体被包裹进入微囊泡后释放至胞外,这类微囊泡携带线粒体内膜成分与线粒体 DNA(mtDNA)等损伤相关分子模式,一方面作用于邻近心肌细胞进一步加重自噬流阻滞,另一方面随体液循环扩散至远端器官,通过 cGAS–STING 通路激活全身炎症反应,放大炎性损伤效应、加速多器官损伤进程,构成覆盖胞间与全身层面的炎症放大循环。
本研究利用 MI-SIM 超分辨成像系统,从静态结构观测、共定位定量分析、动态时序追踪三个维度解析 HL-1 心肌细胞的线粒体损伤与自噬流调控特征,为双恶性循环机制提供了高分辨率的可视化支撑:
图3A MI-SIM 成像显示不同处理组 HL-1 细胞的线粒体形态与自噬流状态(PK Mito 标记线粒体、LC3B-mCherry-GFP 标记自噬流,比例尺:10 μm)。
研究人员通过成像观测到 LPS 处理后线粒体呈现肿胀、碎片化特征,同时细胞自噬流发生明显阻滞;使用 DRP1 抑制剂 Mdivi-1、ROS 清除剂 NAC 或 RIP1/RIP3 抑制剂 Nec-1 干预后,线粒体形态逐步恢复为长条状特征,自噬流障碍得到不同程度缓解,直观验证了 DRP1-ROS-RIP1/RIP3 轴对线粒体自噬过程的调控作用。
图3B MI-SIM 成像下自噬体与溶酶体共定位分析结果(Lamp1 标记溶酶体、LC3B-mCherry-GFP 标记自噬体,比例尺:10 μm)。
后续定量统计结果显示,LPS 处理可显著降低自噬体-溶酶体融合效率,而 NAC 与 Nec-1 干预处理可显著提升二者共定位水平,据此明确了 RIP1/RIP3 通路通过抑制自噬体-溶酶体融合过程阻断自噬流的分子机制。
为进一步直观验证前述分子通路中线粒体损伤的完整演化过程,研究团队利用 MI-SIM 超分辨成像平台开展多维度观测,通过图 6I 至 6K 系列结果完整呈现了线粒体膜结构损伤与内容物释放的全流程细节。
图6I 静态超分辨观测膜损伤特征:分别以 Tom20 标记线粒体外膜(OMM)、PK Mito 标记线粒体内膜(IMM)、mtDNA 荧光标记,比例尺 10 μm。
研究团队通过超分辨成像清晰捕捉到 LPS 处理后线粒体外膜的多处破裂位点,内膜成分与 mtDNA 向胞质中溢出;Nec-1 干预后线粒体膜完整性显著恢复,直接证实 RIP1/RIP3 的异常激活是介导线粒体膜结构损伤的关键环节。
图6J 3D 结构重建定位损伤位点:基于超分辨成像完成线粒体三维结构重建,比例尺 1 μm。
精准呈现线粒体外膜破裂位点的空间分布与内膜挤出的立体形态,直观还原线粒体膜损伤的纳米级空间结构细节。
图6K 活细胞延时成像记录动态过程:通过长时程活细胞超分辨成像。
研究团队完整记录“外膜破裂-内膜挤出-线粒体内容物释放”的连续时序变化过程,为线粒体损伤成分被包裹进入微囊泡的完整病理过程提供了直接的动态可视化依据。
除了本研究外,MI-SIM*(智能结构光超分辨显微镜)还能实现对其他各类细胞器和人工化学物质的超分辨级别拍摄,且无需特殊标记,即可实现 60 nm 分辨率的多通道超分辨成像。此外,还能在超分辨尺度以极高的时空分辨率观察线粒体等细胞器的各种动态过程。同时 MI-SIM 可兼容实现不同倍数、不同介质的超分辨动态捕捉。结合集成有多种高保真图像增强、AI识别、分割和去噪功能的 FINER 软件(通用型荧光图像分析软件),为活细胞及各类材料样本提供了一套完整的荧光超分辨成像解决方案。
* MI-SIM 为 HIS-SIM 产品升级版本的命名,MI 代表 Machine Intelligent。
再来欣赏 MI-SIM 在固定细胞上实现超分辨成像的其他典型案例:
观察微管中心体的结构(图左)/观察膨胀微管中心体的结构(图右)
样本来源:
北京大学张老师组
样本类型:
固定细胞-U2OS,微管中心体(图左)/膨胀微管中心体(图右)
拍摄不同处理组内质网、囊泡、高尔基体和细胞核的定位及分布情况
样本来源:
北京中医药大学杨老师组
样本类型:
Hela细胞
此外超视计科技还可提供超分辨成像测试服务和生物实验定制设计服务,各位老师可以联络我们前往多地超分辨成像体验中心,享受超高清数据的视觉震撼!
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文献链接:
https://doi.org/10.1073/pnas.2510914123
关于超视计科技
超视计生物科技有限公司是专注于活细胞超分辨成像技术研发与应用的高科技企业,在北京、广州设有研发中心和生产基地。目前,公司以自主研发的活细胞超分辨显微镜为基础,初步建立起国内最完整的超分辨成像技术与数据服务生态,可为高校、科研院所、医疗机构等提供生物制样指导、成像测试支持、定制数据分析、专业技术售后等全流程服务。
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