神经环路应用（22）丨活体动物多尺度实时ATP监测

ATP是生物体内关键的能量载体，开发在体内实时测量ATP动态的工具对理解生理和病理机制至关重要，但现有工具在空间和时间分辨率等方面存在局限。

通过多种表达模式构建表达GO-ATeam的小鼠胚胎干细胞系，经筛选得到AVID（ATP visualization in vivo directly）转基因小鼠，将GO-ATeam2构建体组成型敲入ROSA26位点，在泛素启动子（CAG）控制下稳定表达。其能在活体内从全身、器官到细胞层面实时、多尺度成像ATP动态变化。通过构建不同表达GO-ATeam的小鼠胚胎干细胞系筛选出AVID小鼠，实验验证其可用于多器官ATP成像、检测细胞内ATP分布、监测骨骼肌收缩时ATP动态变化以及心肌梗死后多器官ATP响应。

AVID小鼠优势

传统方法在空间和时间分辨率上存在不足且常具有侵入性、需组织提取或在深部组织中灵敏度低。而AVID小鼠能实现从全身到细胞的多尺度实时ATP成像，可同时对多个器官进行定量ATP成像，还能监测细胞内ATP分布；在时间分辨率上能精确到毫秒级，如在骨骼肌收缩实验中可清晰观察到ATP快速变化；此外，还能检测到传统代谢组学无法发现的局部代谢变化，如心肌梗死后肝脏中央静脉附近的ATP和代谢物变化。

AVID小鼠功能研究

多尺度空间成像：可在宏观层面实现新生儿AVID小鼠多器官ATP成像，如心脏、肝脏等；在微观层面能检测脑切片神经元内ATP分布差异，还能对肠道不同组织层进行ATP测量。它既能在亚细胞层面（如脑部神经元中），也能在器官层面（涵盖心脏、肝脏、肠道、肌肉等器官）对ATP进行成像。

时间分辨率研究：在骨骼肌收缩实验中，以0.05s的间隔记录发现90%的ATP消耗在收缩开始的1秒内发生，且ATP水平在刺激后以时间常数（τ）6.85s呈指数恢复。

代谢重塑检测：AVID小鼠可检测代谢重塑情况。例如，在心肌梗死（MI）的背景下，能显示与代谢相关的细胞结构变化。

疾病模型研究：在心肌梗死（MI）模型中，AVID小鼠可监测到多器官ATP动态变化，如肝脏、肾脏、肠道等器官ATP显著降低，而传统代谢组学无法检测到这种局部代谢变化。

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AVID小鼠在实际应用中影响因素

AVID小鼠使用的GO-ATeam2传感器会受环境因素影响。

氧气浓度方面，虽然在骨骼肌和肝脏的部分实验中显示一定程度的变化对其影响较小，但严重或长时间缺氧可能干扰传感器；

pH方面，实验表明轻度酸中毒对其影响不大，但更严重的pH变化可能影响传感器。

Fig1 AVID小鼠ATP浓度与动态的可视化

该图呈现了小鼠全身多器官（心脏、胸腺、肌肉、肺、肝脏、胃、胰腺、脾脏、小肠、大肠、膀胱、肾脏等）的ATP成像。不同颜色代表ATP的相对水平，颜色越偏向暖色调（如橙、红），ATP水平越高；冷色调（如绿、蓝）则表示ATP水平较低，能直观看到各器官ATP分布的差异。

聚焦于小鼠脑部组织的ATP成像。图B是大脑的整体成像，图C进一步展示了大脑CA1区域（箭头所指等位置）的细节，可观察到脑部不同区域ATP的分布情况，帮助研究脑部能量代谢的区域特异性。

图D展示了小肠肌层的ATP成像，能看到肌层组织中ATP的分布模式，为研究肠道肌肉组织的能量供应提供可视化依据。

图E、F是小肠不同结构（隐窝、绒毛）的ATP成像。图F聚焦于绒毛结构，可观察到这些精细结构内ATP的分布差异，有助于理解肠道吸收等功能与能量代谢的关系。

图G展示了对小鼠胫骨前肌进行电刺激（用于引发肌肉收缩）的实验装置；图H是肌肉收缩（100Hz刺激）后不同时间点（0.0s、0.1s、1.0s）的ATP成像，可看到随着时间推移，肌肉内ATP水平的变化；图I则以图表形式量化了肌肉收缩刺激后ATP峰值的变化百分比，体现ATP随肌肉收缩快速消耗的动态过程。

总结

通过ATP成像技术可实现小鼠多器官及特定组织（如脑CA1区、小肠隐窝/绒毛、骨骼肌）能量代谢的可视化，揭示ATP在不同生理状态下的空间分布与动态变化。许多疾病与能量代谢异常密切相关，如神经退行性疾病、心血管疾病和癌症等。本研究提供的ATP成像技术可以作为一种工具帮助识别这些疾病中的代谢改变模式，从而促进相关疾病模型的发展，并为寻找新的治疗靶点提供线索。

文献引用

Ohnishi Y, Setoyama D, Miwa H, Koitabashi N, Ogasawara R, Kitada S, Matoba N, Ayano T, Hiramoto K, Yasui R, Sugiura Y, Anada T, Ino K, Matsuda H, Noma T, Nonaka S, Izumi T, Kurabayashi M, Suematsu M, Kunisaki Y, Yanagita M, Imamura H, Yamamoto M. AVID mouse: A versatile platform for real-time, multiscale ATP imaging and spatial systems metabolism analysis in living mice. Cell Rep. 2025 Sep 12;44(9):116246.

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