线粒体作为细胞代谢的关键细胞器，经常在形态、组成成分和功能上发生适应性变化，以响应各种环境胁迫和细胞需求。线粒体特征的变换被定义为线粒体异质性（Heterogeneity），可影响多种生理过程，包括组织稳态、组织修复、免疫调节以及肿瘤进展。线粒体异质性的研究从注重形态学变化发展到系统的多组学研究，揭示了细胞间或单个细胞内线粒体群的变异（图1）。

图1 线粒体异质性研究时间轴

线粒体形态学

线粒体形态在不同组织中存在差异，并取决于环境和生理条件。线粒体的形态变化主要取决于线粒体的分裂和融合、线粒体嵴的形成和维持、线粒体基质的含量以及与溶酶体、内质网等其它细胞器的连接（图2）。

在真核细胞的代谢过程中，线粒体的分裂和融合是同时持续发生的。裂变可以产生子线粒体，并通过移除受损的线粒体和触发细胞凋亡响应高水平的细胞应激。融合是一种补充的线粒体质量控制机制，通过融合部分受损的线粒体的内容物来缓解应激。最近的研究表明，线粒体裂变和融合会随着能量需求旺盛的细胞行为和极端的条件（如疾病、寄生虫感染等）而变化。

线粒体嵴的重塑与线粒体呼吸密切相关，嵌入线粒体的电子传递系统（ETS）直接影响ATP的产生。能量产生的增加伴随着线粒体嵴形成的增加。

线粒体与许多其他细胞器（如内质网、溶酶体和脂滴）的连接，每个细胞中线粒体与特定细胞器的连接数量可以从几次到数百次。与其他细胞器连接的线粒体数量的减少通常是对低效代谢途径的反应；相反，与其他细胞器连接的线粒体数量的增加表明对活跃的细胞能量代谢途径的反应。

细胞内线粒体的含量反映了细胞代谢的强度。细胞中低线粒体含量通常与低代谢活动相关，而高线粒体含量与高细胞代谢活动相关。

在生理和病理条件下，细胞间线粒体交换是广泛的。低频率的线粒体交换是细胞对应激环境适应性低的反应，相反，高效的线粒体交换增强了细胞的适应性。

图2 不同条件下的线粒体特征

线粒体功能

除了三羧酸（TCA）循环、氧化呼吸链（OXPHOS）、脂肪酸氧化（FAO）等能量代谢途径，线粒体内还有多条生物学途径被激活，例如线粒体DNA（mtDNA）转录和翻译；氨基酸、脂质和核苷酸代谢；钙稳态；细胞凋亡信号；氧化还原过程（图3）。

图3 线粒体功能总结

线粒体功能障碍

从基因突变到衰老、感染等，线粒体功能障碍/损伤的病因是多种多样的，由于其对健康和疾病的影响，目前是一个重要的研究领域（图4）。例如，线粒体是活性氧（ROS）产生的主要场所，当电子流过ETC时，约0.4~4%的电子在到达复合体Ⅳ之前泄漏。生理水平上，ROS的产生是必要的，参与了细胞稳态、关键信号通路、细胞增殖、细胞分化、细胞迁移、血管生成等调节。但是，线粒体产生的过多的ROS会导致mtDNA、蛋白质和脂质受损，进而破坏线粒体功能和稳态。

图4 线粒体功能障碍的发病机制

常用的线粒体检测指标

目前常用的线粒体检测指标包括形态学观察、氧化应激/毒性观察和线粒体自噬现象观察（图5）。

图5 常见的线粒体检测指标

  • 线粒体形态检测

  • 线粒体膜单位检测

  • 线粒体钙离子检测

线粒体Ca2+ 被称为氧化磷酸化的中心调节剂，在细胞内，钙离子主要储存在线粒体和内质网等细胞器中，Ca2+在调节线粒体代谢、保持细胞所需的线粒体ATP产量、通过ATP合成酶的磷酸化在ADP中发挥着重要作用。

  • 线粒体ATP检测

  • 线粒体ROS检测

检测ROS的方法有MitoCMXROS/ DCFH-DA荧光探针法、化学发光法、紫外-可见吸收分光光度法等。

  • 线粒体膜通透性转换孔（MPTP）检测

MPTP是线粒体渗透转换功能的结构基础，是线粒体内外膜结合处的一种蛋白性通道。低电导渗透性转换孔渗透性发生改变，导致MPTP激活。钙黄绿素-AM是一种活体细胞线粒体MPTP荧光检测试剂，通过钙黄绿素-钴技术：聚集在线粒体内的钙黄绿素呈现荧光染色，而存在于胞浆或由线粒体释放到细胞质中的荧光染料即刻发生荧光淬灭（图6）。

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