高分辨率荧光传感器实现细胞内腺苷动态的多尺度可视化
来源:作者：张楠楠（中国科学院）来源：中国科学院 2025/5/26
HypnoS：一种超灵敏的细胞内腺苷传感器。图片来源：中国科学院遗传与发育生物学研究所（IGDB）
中国科学院遗传与发育生物学研究所（IGDB）的研究团队在《自然・通讯》（Nature Communications）发表研究，详述了一种新型基因编码荧光传感器的开发，可针对细胞类型特异性地实时监测细胞内腺苷（iAdo）动态。
这种名为 “超灵敏细胞内腺苷传感器”（Hypersensitive intracellular adenosine Sensor, HypnoS）的工具，能够在活体动物大脑中以高时空分辨率监测癫痫发作或睡眠 - 觉醒周期中的 iAdo 动态变化。
研究背景与科学挑战
细胞外腺苷（eAdo）和细胞内腺苷（iAdo）通过平衡核苷转运蛋白（ENTs）形成跨膜信号网络，其失衡与神经退行性疾病、代谢综合征和肿瘤等密切相关。然而，传统技术在捕捉 iAdo 毫秒级动态变化及其亚细胞定位模式上存在局限，导致腺苷的细胞来源、释放机制及跨膜转运的具体过程仍存争议。
技术突破：HypnoS 传感器的设计与性能
为攻克上述难题，中国科学院遗传与发育生物学研究所吴昭法团队联合北京大学王京、李毓龙团队，利用环形排列增强型绿色荧光蛋白（cpEGFP）和腺苷脱氨酶（PvADA）设计了 HypnoS。通过筛选 3000 多种蛋白变体，最终获得的传感器具备以下特性：
超高响应幅度：最大荧光响应幅度约 900%；
快速动力学：亚秒级动力学响应；
高选择性：对腺苷底物具有高度特异性，且不干扰正常细胞生理活动。
HypnoS 能够在活体果蝇和小鼠模型中实现从单细胞到全脑组织的多尺度 iAdo 动态可视化：
病理场景：癫痫研究
结合活体宽场成像技术，研究团队在小鼠大脑中以全皮层为空间尺度、高时间分辨率记录了癫痫发作期间细胞内腺苷的动态变化。结果揭示了细胞内腺苷在癫痫中潜在的神经保护作用。
通过在神经元和星形胶质细胞中特异性表达 HypnoS，并利用活体双光子成像技术，进一步在单细胞分辨率下解析了不同细胞类型中 iAdo 的动态差异。
生理场景：睡眠 - 觉醒调控
研究团队结合光纤记录与脑电图、肌电图，发现小鼠基底前脑区在清醒和快速眼动睡眠期间细胞内腺苷水平升高，而非快速眼动睡眠期间降低。
进一步研究表明，ENT1/2 转运蛋白主要介导神经元中腺苷的释放，并促进星形胶质细胞对腺苷的摄取，揭示了两种细胞在睡眠稳态调控中的分工。这一发现为通过调节腺苷水平干预睡眠障碍提供了分子基础。
科学意义与应用前景
HypnoS 的开发突破了传统技术瓶颈，为解析腺苷在生理和病理过程中的跨细胞调控机制提供了关键工具。其多尺度可视化能力不仅深化了对神经疾病和睡眠调控的理解，也为靶向腺苷信号通路的药物研发开辟了新方向。
更多信息
相关研究成果发表于《自然・通讯》，标题为《高性能荧光传感器时空揭示体内细胞类型特异性的细胞内腺苷调控》（A high-performance fluorescent sensor spatiotemporally reveals cell-type specific regulation of intracellular adenosine in vivo），DOI: 10.1038/s41467-025-59530-7。
期刊信息：Nature Communications
来源：中国科学院
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