摘要：活细胞内重要小分子（如钙离子、活性氧等）在线粒体、溶酶体等细胞器及胞浆之间快速流动，精密调控着细胞过程。在单细胞器水平原位快速观测这些分子流动及相互作用关系有助于精细化理解多种疾病发生和发展的分子机制。譬如，治疗缺血性脑损伤及神经退行性疾病的一种潜在策略是利用

稿件来源：南京大学化学化工学院

活细胞内重要小分子（如钙离子、活性氧等）在线粒体、溶酶体等细胞器及胞浆之间快速流动，精密调控着细胞过程。在单细胞器水平原位快速观测这些分子流动及相互作用关系有助于精细化理解多种疾病发生和发展的分子机制。譬如，治疗缺血性脑损伤及神经退行性疾病的一种潜在策略是利用激动剂激活溶酶体中TRPML1通道，介导溶酶体中钙离子转移至线粒体和胞浆中，促进细胞自噬以加速胞内活性氧的清除，进而有助于细胞清除损伤的细胞器和蛋白质。然而，经典观点认为钙离子在流动过程中会持续激发活性氧产生，与上述钙离子流动加速清除活性氧相悖。由于缺乏在单细胞器水平对钙离子流动和活性氧波动进行高时空分辨测量的能力，目前还难以细致描绘该药物作用过程中细胞内的分子流动机制。

为了系统研究这一过程中钙离子和活性氧的流动机制，南京大学化学化工学院江德臣/潘荣容研究团队基于前期活细胞内单细胞器检测工作（Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202303053，点击阅读详细），构建出一种双通道纳米毛细管组成的电化学传感器。该传感器内部中空的毛细管结构会形成负压，原位捕获活细胞内单个线粒体；毛细管尖的双通道分别包含钙离子选择性电极和检测活性氧的铂纳米空腔电极，原位高时间分辨地对目标单个线粒体释放的活性氧和钙离子同时进行定量分析，从而解析出激动剂激活细胞过程中这两种分子流动机制及相互作用关系。

图1. 基于双通道纳米毛细管实现活细胞内单个线粒体释放的钙离子和活性氧的同时高时空分辨定量分析，深入探究钙离子通路和活性氧通路在细胞器间以及细胞器与细胞质之间的相互作用。

受益于纳米电极测量的高时空分辨优势，研究团队首次在单线粒体水平上观测到在ML-SA激动剂作用下，溶酶体中的钙离子直接转移至线粒体（胞浆并未作为承接媒体），引发线粒体产生大量的活性氧；该活性氧会激发线粒体内活性氧诱导活性氧的双重释放机制，打开线粒体mPTP离子通道，将钙离子和活性氧释放至胞浆中。进一步对该过程进行长时间动态监测，发现来源于线粒体产生的活性氧又会介导溶酶体钙离子再次转移至线粒体，引发线粒体钙离子浓度的第二次爆发。这次钙离子浓度的爆发反而会促进了胞内活性氧的清除。通过高时间分辨活细胞内单细胞器水平的连续跟踪，研究数据动态描绘出细胞内钙离子通路和活性氧通路之间的复杂反馈回路，对现有分子机制的争议进行了完整解析，有望为理解在细胞自噬过程中提供更加全面的科学数据和研究工具。

图2. 单个线粒体原位捕获。

图3.（A）活细胞内单个线粒体释放的钙离子和活性氧的同时高时空分辨定量分析；（B）活细胞内胞浆中钙离子和活性氧的同时高时空分辨定量分析。

图4. ML-SA刺激细胞后，钙离子通路和活性氧通路在溶酶体、线粒体和细胞质之间的传输以及相互作用的示意图。

该研究成果发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America；潘荣容研究员为论文通讯作者。此项研究得到了南京大学生命分析化学全国重点实验室及化学和生物医药创新研究院的大力支持，以及国家自然科学基金（22025403，22104051，22374068）、中国科协/化学会青年人才托举工程（2023QNRC001）、江苏省科协青年科技人才托举工程（TJ-2023-097）等经费支持。

Highly spatial–temporal electrochemical profiling of molecules trafficking at a single mitochondrion in one living cell

Kang Liu, Lina Wu, Yuanyuan Ma, Desheng Chen, Rujia Liu, Xiaobo Zhang, Dechen Jiang, and Rongrong Pan

江德臣

来源：X一MOL资讯