Optical manipulation of neuronal mitochondria using scanning optical tweezers
Zhiyong Gong, Tianli Wu, Xixi Chen, Ping Wang, Jinghui Guo, Yuchao Li, and Baojun Li
Journal of Innovative Optical Health Sciences Vol. 18, No. 04, 2341001 (2025)
在生物医学光子学领域，光镊技术因其在微观尺度上对生物样品进行无损操控的独特优势，一直备受科研人员的关注。近期，暨南大学李宝军教授、李宇超教授团队在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》上发表了一篇题为“Optical manipulation of neuronal mitochondria using scanning optical tweezers”的研究论文，成功实现了利用扫描光镊（SOTs）对神经元线粒体的稳定捕获和精确运输，为神经科学研究提供了全新的工具和思路。
研究背景
线粒体在神经元的生理功能和能量代谢中扮演着关键角色。神经元作为高度分化的终端细胞，需要大量的线粒体来生成 ATP，以支持轴突和树突的生长以及神经信号的传导。然而，神经元中线粒体的运动缺乏组织性，这使得对它们的分析和表征变得非常困难。因此，开发一种能够人工控制线粒体运输的技术具有重要意义。
研究方法
研究人员利用扫描光镊（SOTs）技术，结合荧光成像系统，实现了对神经元线粒体的精确操控。实验中，研究人员首先从胚胎大鼠中提取海马神经元，并通过荧光探针 Mito Tracker Red 对线粒体进行标记。然后，利用 1064 nm 的激光束通过声光偏转器（AOD）生成多个光学陷阱，实现了对单个线粒体的稳定捕获和精确运输。
图 1.SOT 配置和光学作示意图。（a） 用于光学纵的 SOT 的实验设置。（b） 具有高斯分布的捕获激光束将目标物体限制在光阱内。（c） 多个线粒体的精确定位和排序。（d） 单个线粒体的稳定捕获和定向旋转。
实验结果
实验结果显示，通过扫描光镊技术，研究人员能够在体外稳定捕获单个线粒体，并沿着特定的轨迹（如方形和圆形路径）进行运输。在神经元内部，研究人员成功地将线粒体从细胞体运输到轴突末端，或从轴突主干运输到轴突分支。此外，研究人员还发现，线粒体的运输速度与激光功率呈正相关，但在激光功率达到一定阈值后，运输速度会趋于稳定。
图 2.海马神经元的特征。（a） 显示海马神经元线粒体的代表性共聚焦图像。大量的线粒体聚集在细胞体内，单个分散的线粒体沿着神经元突触移动。单个线粒体 Mito Tracker Red 染料用于标记线粒体。比例尺，40 Mm. （b） （a） 比例尺中线粒体的放大图像，10 Mm. （c）–（e） 用红色和蓝色染料标记的海马神经元的网状形成。（c） Mitotracker Red 揭示的红色荧光线粒体。（d） 在神经元胞体期间分布的细胞核。（e） 合并图像显示线粒体保留在神经元的胞体和轴突中。比例尺，100 Mm.
主要创新点
●首次实现神经元线粒体的精确操控：利用扫描光镊技术，研究人员首次实现了对神经元线粒体的稳定捕获和精确运输，为研究神经元内线粒体的动态行为提供了新的工具。
●结合荧光成像技术：通过荧光探针标记线粒体，结合光镊技术，实现了对线粒体的可视化操控，大大提高了操控的准确性和效率。
●高精度的线粒体运输：研究人员通过调整激光功率和光学陷阱的位置，实现了线粒体在神经元轴突中的高精度运输，运输速度可达 3 μm/s。
图 3.体外单线粒体作。（a） 在不同位置施加到线粒体上的光力与从初始位置测量的距离之间的相关性。 体外游离线粒体被牢牢地困在光势中。（b） 细胞外溶液中线粒体转运速度与激光功率的函数关系。（c） 和 （d） 不同位置和时间的单个线粒体的叠加图像。起始站点：位置 1。比例尺，1 Mm.
图 4.线粒体在健康神经元轴突中的快速运输。（a） 捕获和运输神经元轴突中的线粒体从细胞体到突触末梢或从轴突干到轴突分支的示意图。（b） 和 （c） 在神经元细胞体中捕获的目标线粒体的亮场和荧光图像。（d） 捕获单个线粒体并移动到轴突另一侧的神经元细胞体。比例尺，10 Mm. （e） 单个线粒体的光学作在 20 分钟内穿过神经元轴突中的指定路径。比例尺，10 Mm. （f） 神经元轴突中线粒体运输速度与激光功率的函数关系。
应用前景
这项技术为神经科学研究提供了精准的视角和工具。通过精确操控神经元线粒体，研究人员可以深入研究线粒体在神经信号传导、轴突再生和神经退行性疾病中的作用。此外，该技术还可以扩展到其他细胞器的操控，为细胞生物学研究提供亚细胞精度的光学工具。
结语
这项研究不仅展示了扫描光镊技术在神经科学研究中的潜力，还为未来开发更先进的生物医学光子学工具打下了基础。我们期待这一技术能够在神经科学和其他生物医学领域得到更广泛的应用。
通讯作者简介
李宇超，暨南大学物理与光电工程学院/纳米光子学研究院教授、广东省纳米光学操控重点实验室副主任。入选国家优青、国家重点研发计划青年科学家、中国科协青年人才托举工程、广东省杰青。一直围绕光学衍射极限的科学问题与光学系统小型化的技术难题，开展光学操控与成像及其生物医学应用研究。以第一或通讯作者发表学术论文30余篇，获授权中国发明专利10余件，部分专利被应用于国家重大科研仪器“三维纳米光操控仪”的研制。曾获广东省自然科学一等奖、广东省光学学会光学科技一等奖。
更多详情见https://faculty.jnu.edu.cn/lgxy/lyc/list.htm
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