2025年5月7日，北京大学药学院王晶课题组联合中国科学院遗传与发育生物学研究所武照伐课题组和北京大学生命科学学院李毓龙课题组，在Nature Communications杂志发表题为“A high-performance fluorescent sensor spatiotemporally reveals cell-type specific regulation of intracellular adenosine in vivo”的文章，该研究成功开发了首个用于活体检测胞内腺苷的基因编码荧光探针HypnoS（Hypersensitive intracellular adenosine Sensor），并借助活体成像与光遗传技术等手段，探究了活体动物中胞内腺苷时空动态上的细胞特异性调控，以及背后的分子调控机制（图1）。
 

图1. HypnoS的设计、验证及应用总结

研究团队基于循环重排绿色荧光蛋白（cpEGFP）与腺苷脱氨酶（PvADA），在筛选了超过3000个突变体后，成功构建了新型荧光探针HypnoS（取名古希腊神话中的“睡神”）。HypnoS具备极高的灵敏度（响应幅度>900%）、适宜的亲和力（EC50 ~11 μM）、亚秒级动力学特性及良好的选择性（图2），重要的是HypnoS表达对神经元的正常生理过程无明显影响，这些特性使其成为检测生理和病理条件下胞内腺苷变化的理想工具。
 

图2. HypnoS探针的开发和体外刻画。a. 探针的构成；b. 探针单光子光谱性质；c. 探针亲和力，其中HypnoS-mut是探针对照；d. 亚秒级别的动力学特性；e. 优异的特异性；f. 探针几乎不具备酶活性。

在细胞水平上，脑中不同的类型细胞对胞内腺苷（iAdo）生成、代谢及释放的差异仍不明确，胞外腺苷（eAdo）来源于神经元还是相邻的胶质细胞在领域内存在争议。利用新型HypnoS的可遗传编码特性，作者将HypnoS探针分辨表达在了神经元及星形胶质细胞，在原代培养的细胞、急性脑片以及自由活动小鼠等多种体系中实现了对iAdo动态的细胞特异性监测。研究发现神经元和星形胶质细胞腺苷的水平、动力学及释放存在显著差异（图3），提示两种细胞类型对腺苷稳态的不同贡献。
 

 

图3. 检测原代培养的神经元与星形胶质细胞中腺苷及ATP代谢差异。a和b. 神经元活动过程中腺苷代谢和ATP能量代谢之间的关系；c和d. 星形胶质细胞钙活动时胞内腺苷的动态变化。

在病理过程中（如癫痫），腺苷被认为是重要的内源性抗惊厥因子。利用新型HypnoS探针结合在体大视场成像，作者首次在活体小鼠整个大脑皮层尺度可视化了急性癫痫发作期间iAdo的动态变化。研究发现iAdo变化显著滞后于癫痫引发的神经元钙活动并持续更长时间，这与iAdo在癫痫发作后的潜在神经保护作用一致（图4）。进一步地，作者运用活体双光子成像技术，在单细胞水平解析了iAdo在神经元及星形胶质细胞中的动态变化，并发现星形胶质细胞能够以更快的速度降解iAdo（图4），这一发现拓展了不同细胞对癫痫期间腺苷代谢调控机制的理解。
 

 

图4. 利用HypnoS检测癫痫发作过程中胞内腺苷的动态变化。a. 示意图；b. 结合大视场成像检测小鼠癫痫发作过程HypnoS与钙信号之间的时空关系；c. 结合在体双光子检测小鼠癫痫发作过程中神经元与星形胶质细胞胞内腺苷动态差异。

在生理过程中（如睡眠-觉醒），腺苷被认为是调控睡眠稳态的重要分子。研究团队利用HypnoS探针结合光纤和脑电、肌电记录，在小鼠基底前脑研究中捕捉到清醒与REM睡眠时期胞内腺苷升高，NREM睡眠时期下降的现象。研究表明，ENT1/2在神经元中主导腺苷释放，而在星形胶质细胞中促进腺苷摄取，揭示了两种细胞在睡眠稳态中的分工机制（图5），这一发现为通过调控腺苷水平干预睡眠障碍提供了分子基础。
 

 

图5. 睡眠-觉醒周期中胞内腺苷的动态及细胞特异性调控。a和b. 睡眠-觉醒周期中ENT1/2 介导的腺苷转运在神经元中的作用。c和d. 睡眠-觉醒周期中ENT1/2 介导的腺苷转运在星形胶质细胞中的作用。

参考文献：Wei, Q., BAI, Z., Wang, L. et al. A high-performance fluorescent sensor spatiotemporally reveals cell-type specific regulation of intracellular adenosine in vivo. Nat Commun 16, 4245 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59530-7

创作声明：本文是在原英文文献基础上进行解读，存在观点偏向性，仅作分享，请参考原文深入学习。

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