Abstract Capturing mitochondria’s intricate and dynamic structure poses a daunting challenge for optical nanoscopy. Different labeling strategies have been demonstrated for live-cell stimulated emission depletion (STED) microscopy of mitochondria, but orthogonal strategies are yet to be established, and image acquisition has suffered either from photodamage to the organelles or from rapid photobleaching. Therefore, live-cell nanoscopy of mitochondria has been largely restricted to 2D single-color recordings of cancer cells. Here, by conjugation of cyclooctatetraene to a benzo-fused cyanine dye, we report a mitochondrial inner-membrane (IM) fluorescent marker, PK Mito Orange (PKMO), featuring efficient STED at 775 nm, strong photostability and markedly reduced phototoxicity. PKMO enables super-resolution recordings of inner-membrane dynamics for extended periods in immortalized mammalian cell lines, primary cells, and organoids. Photostability and reduced phototoxicity of PKMO open the door to live-cell 3D STED nanoscopy of mitochondria for three-dimensional analysis of the convoluted IM. PKMO is optically orthogonal with green and far-red markers allowing multiplexed recordings of mitochondria using commercial STED microscopes. Using multi-color STED, we demonstrate that imaging with PKMO can capture the sub-mitochondrial localization of proteins, or interactions of mitochondria with different cellular components, such as the ER or the cytoskeleton at sub-100 nm resolution. Thereby, this work offers a versatile tool for studying mitochondrial inner-membrane architecture and dynamics in a multiplexed manner.

Abstract Mitochondria play an essential role in the life cycle of eukaryotic cells. However, we still don’t know how their ultrastructure, like the cristae of the inner membrane, dynamically evolves to regulate these fundamental functions, in response to external conditions or during interaction with other cell components. Although high-resolution fluorescent microscopy coupled with recently developed innovative probes can reveal this structural organization, their long-term, fast and live 3D imaging remains challenging. To address this problem, we have developed a convolutional neural network (CNN), called DeepCristae, to restore mitochondrial cristae in low spatial resolution microscopy images. Our CNN is trained from 2D STED images using a novel loss specifically designed for cristae restoration. Random sampling centered on mitochondrial areas was also developed to improve training efficiency. Quantitative assessments were carried out using metrics we derived to give a meaningful measure of cristae restoration. Depending on the conditions of use indicated, DeepCristae works well on broad microscopy modalities (STED, Live-SR, AiryScan and LLSM). It is ultimately applied in the context of mitochondrial network dynamics during interaction with endo/lysosomes membranes.

Abstract Rhodamines have been continuously optimized in brightness, biocompatibility, and colors to fulfill the demands of modern bioimaging. However, the problem of phototoxicity caused by the excited fluorophore under long-term illumination has been largely neglected, hampering their use in time-lapse imaging. Here we introduce cyclooctatetraene (COT) conjugated rhodamines that span the visible spectrum and exhibit significantly reduced phototoxicity. We identified a general strategy for the generation of Gentle Rhodamines, which preserved their outstanding spectroscopic properties and cell permeability while showing an efficient reduction of singlet-oxygen formation and diminished cellular photodamage. Paradoxically, their photobleaching kinetics do not go hand in hand with reduced phototoxicity. By combining COT-conjugated spirocyclization motifs with targeting moieties, these gentle rhodamines compose a toolkit for time-lapse imaging of mitochondria, DNA, and actin and synergize with covalent and exchangeable HaloTag labeling of cellular proteins with less photodamage than their commonly used precursors. Taken together, the Gentle Rhodamines generally offer alleviated phototoxicity and allow advanced video recording applications, including voltage imaging.