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 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.