MRS是根据核磁共振的原理检测强磁场内元素原子核的磁性，分析得到的光谱用以确定代谢物浓度的一种技术，可以非侵入性地研究多种组织代谢。利用³¹P饱和转移技术，³¹P-MRS可用于研究肌肉线粒体代谢中的ATP水平；¹³C-MRS能模拟肌肉线粒体中三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle）氧化过程^[1]。检测含¹³C或³¹P分子的浓度能够直接评估骨骼肌、心脏和大脑等组织中能量代谢物的浓度变化。¹H-MRS可用来评估组织细胞胞内及胞外的脂肪水平，这或许可用于评估单个组织中线粒体功能紊乱的程度。

³¹P-MRS可用来检测无机磷酸盐、ATP和磷酸肌酸（phosphocreatine, PCr）的浓度，其他相关代谢物的浓度可通过这三者计算得到。三羧酸循环中的乙酸氧化可作为组织耗氧量的标志，³¹P-MRS和¹³C-MRS的联合使用发现，其与ATP合成密切相关，并可用于计算线粒体耦联效率。心脏衰竭患者心肌中PCr/ATP比值处于持续的较低水平，³¹P-MRS与¹H-MRS的联合使用可用来检测心肌总肌酸，从而进一步探究肌酸激酶（creatine kinase）的反应。借助最新的MRS技术，³¹P、¹H、²³Na和¹³C的MRS信号可提供健康心脏和患病心脏线粒体能量代谢的信息，³¹P-MRS评估线粒体ATP合成时，也可同时评估线粒体耦联效率^[2]。此外，van den Broek等^[3]联合应用¹H-MRS和³¹P-MRS研究发现：长期高脂肪饮食喂养后，大鼠肌肉内线粒体代谢功能增强，以维持其正常的氧化能力并对抗肌肉细胞内脂质累积，从而显示了¹H-MRS和³¹P-MRS联合应用在评估线粒体功能方面具有独特的优势。

通过³¹P-MRS检测运动后PCr的恢复、静息状态下ATP合成饱和转移，可在活体内评估骨骼肌线粒体功能。van den Broek等^[4]借助³¹P-MRS对大鼠线粒体功能紊乱模型进行研究发现：与ATP合成相比，运动后PCr水平的恢复与骨骼肌线粒体功能具有更直接的关系，是活体内骨骼肌线粒体功能评估较为合适的方法。研究显示，给予人免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）感染者齐多夫定，PCr消耗及运动后PCr恢复时间明显增加；另外，健康志愿者行短期给予司坦夫定后，也会导致运动后PCr恢复率显著下降^[5]，因此，利用³¹P-MRS检测药物治疗后HIV感染者骨骼肌中PCr消耗和恢复的变化，能够反映线粒体功能的改变，进而反映药物治疗不良反应。

随着年龄的增加，线粒体的功能和形态随之改变。Forester等^[6]使用³¹P-MRS探究了衰老对大脑灰质和白质脑化学的作用后发现：通过检测线粒体高能磷酸盐（high-energy phosphate）浓度、pH值和膜代谢的变化，³¹P-MRS可以准确地评估线粒体能量代谢变化。

给予合适的底物，¹³C-MRS能够通过底物能量的代谢途径来检测含碳分子的流动。例如，静脉给予¹³C标记的葡萄糖、3-羟基丁酸或乙酸后，通过跟踪糖酵解、酮体代谢或者三羧酸循环，能够分别检测标记底物的流动速率。此外，借助三羧酸循环乙酸消耗和氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）之间的化学计量关系可以估算代谢耗氧量。¹H-MRS可用于检测不同临床和有抗反转录病毒史的HIV感染者的肝脏脂肪水平，并同时探究其与胰岛素抵抗、身体脂肪分布和其他因素的联系^[7]。尽管该研究中没有检测明确的线粒体代谢靶点，但是¹H-MRS作为线粒体毒性的度量手段来评估组织脂肪水平可能是很有价值的。

PET可通过检测靶组织内示踪分子的摄取和清除动力学来反映靶组织的代谢，示踪分子、代谢底物或者外源性物质通常用¹⁸F、¹¹C、¹³N、¹⁵O等短半衰期的放射性核素标记。使用PET评估葡萄糖、乙酸和乳酸等代谢底物能量代谢方面的改变可能是很有用的。有文献报道，PET可以检测大脑氧代谢速率和葡萄糖代谢速率，因此可用于研究早期未治疗的帕金森患者和正常对照人群的大脑线粒体的功能差异^[8]。PET检测¹¹C-乙酸组织清除动力学常用来评价三羧酸循环和氧化磷酸化的速率。另外，Simons等^[9]的研究表明，联合使用2-脱氧葡萄糖、过氧化氢代谢抑制剂和¹⁸F-FDG PET检测，可用于评估肿瘤细胞线粒体，并预测肿瘤治疗的作用。

¹⁸F-氟苄基三苯基磷（¹⁸F-fluorobenzyl triphenylphosphonium，¹⁸F-FBnTP）和⁹⁹Tc^m-MIBI均可作为示踪剂用于心脏线粒体功能检测。¹⁸F-FBnTP和⁹⁹Tc^m-MIBI属于亲脂性阳离子显像剂，与线粒体膜电位（mitochondrial membrane potential，MMP）呈比例性在细胞中累积^[10]，因此其摄取和清除动力学可反映线粒体功能的完整性。研究发现，心脏衰竭患者功能心肌退化、利尿钠肽增加、心脏事件增加等均与⁹⁹Tc^m-MIBI清除速率增快有关，因此⁹⁹Tc^m-MIBI的摄取和滞留可反映线粒体功能的改变^[11]。线粒体功能紊乱、能量代谢异常一直被认为是亨廷顿病的可能致病机制，联合利用PET和核磁共振光谱发现：线粒体内的突变以及功能异常都与享廷顿病潜在的致病机制相关^[12]。

甲硫氨酸和酮异己酸（ketoisocaproic acid, KIC）呼气试验常被用来评估肝脏线粒体功能。给予¹³C标记的甲硫氨酸或KIC后，使用质谱仪连续检测呼出的¹³CO₂可定量评估肝功能。甲硫氨酸和KIC主要在肝脏线粒体中代谢，因此¹³CO₂清除动力学可以反映肝细胞线粒体功能。虽然呼气试验与标准线粒体功能检测靶点的关系未被直接证实，但已有实验结果表明，¹³C-甲硫氨酸呼气试验是一种安全、非侵入性、能够有效检测肝脏线粒体功能的方法，可用来评估短肠综合征和肠外营养相关性肝病儿童的肝脏线粒体功能^[13]。

肝脏线粒体能量代谢和KIC或甲硫氨酸代谢的联系与氧化型和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸比值相关，氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的增加引起¹³CO₂呼出增加，氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的减少引起¹³CO₂呼出减少。乙醇和阿司匹林对线粒体功能的作用均可通过甲硫氨酸和KIC呼气试验评估，大鼠和人类减少乙醇给予或者增加阿司匹林给予均使¹³CO₂累积清除速率增加，但是两者的机制却不相同：肝脏中乙醇氧化导致细胞液和线粒体内可用还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸增加（氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的减少），而阿司匹林是线粒体解耦联剂，导致可用还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸减少（氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸增加）。

HIV感染者用核酸反转录酶抑制剂（nucleic acid reverse transcriptase inhibitors, NRTI）治疗可引起线粒体毒性作用，¹³C-甲硫氨酸呼气试验结果发现，该感染者¹³CO₂排出量明显减少；高乳酸血症患者¹³CO₂排出量比正常乳酸患者减少很多；与健康对照组、无症状患者相比，正常乳酸患者中脂肪萎缩者¹³CO₂排出量明显下降。Milazzo等^[14]使用¹³C-甲硫氨酸呼气试验对抗反转录病毒治疗相关脂肪萎缩HIV感染者的线粒体功能进行评估，结果发现，补充抗氧化剂可能对线粒体功能具有保护作用。Banasch等^[15]使用非侵入性的¹³C-甲硫氨酸呼气试验评估了HIV患者不同抗反转录病毒治疗方案对肝脏线粒体功能的长期作用。虽然这些研究表明呼气试验有助于评估NRTI治疗相关线粒体毒性，但是呼气试验的可靠性仍有待进一步研究证实。

利用MRS或质谱仪对血液和尿液进行代谢组学检查可用于分析疾病机制、寻找合适的生物标记。血液和尿液中可用于线粒体功能紊乱预测的有价值代谢物包括葡萄糖、乳酸、丙酮酸、酮体、三羧酸循环中间产物和二羧酸等。Martin等^[16]研究发现，铁幼粒细胞性贫血大鼠线粒体内三羧酸循环和蛋白合成降低，通过检测两者的代谢变化可以反映该大鼠模型的线粒体氧化功能。

线粒体功能的改变可引起生物体液代谢物的变化，因此，通过代谢组学可以检测外源性物质对线粒体的作用。例如：给予大鼠烯丙基甲酸、对乙酰氨基酚和抗血管生成化合物后，三羧酸循环中间产物、乳酸、丙酮酸、葡萄糖、3-羟基丁酸和多种脂类代谢物均发生相应变化。利用MRS和新型质谱仪分析法研究能量、碳水化合物和脂类代谢的过程，即可进一步了解缺氧导致的肿瘤细胞线粒体内氧化磷酸化和糖酵解的改变，为临床选择潜在的治疗靶点。

体液代谢组学在线粒体功能评估中的应用一直受到限制，其在诊断遗传性线粒体功能紊乱方面的效果也相当有限^[17]。虽然线粒体功能紊乱与多个化合物的毒性有关^[18]，但是尚无研究评估过它们对靶组织线粒体功能的共同作用，这些化合物对线粒体的作用与生物体液反应之间的相关性也并不清楚。

PBMC线粒体已被研究作为NRTI相关毒性的替代标记，但是其准确性尚待证实^[19]。目前几乎没有研究探讨过NRTI或其他线粒体毒性药物治疗后动物PBMC的改变。

检测HIV感染者PBMC内线粒体DNA水平可用来反映其与NRTI治疗、线粒体毒性导致临床事件之间的关系。研究显示，不同NRTI组合治疗中，第12个月线粒体DNA消耗与随后第30个月发生的脂肪代谢障碍相关^[20]。此外，有研究表明，糖尿病患者和对照组相比，线粒体呼吸链功能未发现明显差异，但是前者PMBC中线粒体DNA氧化损伤严重，提示PMBC中线粒体DNA水平可反映疾病对线粒体功能的影响^[21]。

有时，检测PBMC中线粒体的MMP和氧耗量可系统评估线粒体功能。给予NRTI或其他高线粒体毒性药物，HIV感染者PBMC中的氧耗量下降。另一项研究结果提示，经司坦夫定治疗的患者PBMC MMP低于未治疗者，这与HIV对线粒体的直接作用一致，HIV感染未治疗者与未感染者相比，其MMP明显下降，开始治疗后则明显增加^[22]，与已发现的线粒体DNA作用类似。

活体内线粒体功能评估有助于进一步理解线粒体功能、功能紊乱及其毒性机制，从而进一步探究疾病或者外源性物质对线粒体的作用，也为线粒体作用药物的安全研发提供有用信息。虽然目前这些评估方法仍然存在很大的局限性，在科研和临床中的推广也十分有限，但是随着对线粒体生物学功能了解的深入以及各种检测手段的发展，活体内线粒体功能评估的理论和实践将更趋于完善，使其能够更好的为科研和临床服务。