AVID小鼠模型：实现活体动物多尺度实时ATP成像与空间系统代谢分析的革命性平台

《Cell Reports》：AVID mouse: A versatile platform for real-time, multiscale ATP imaging and spatial systems metabolism analysis in living mice

本刊推荐：为解决活体ATP动态监测技术瓶颈，研究人员开发了转基因AVID小鼠模型，实现了从全身到细胞器的多尺度实时ATP成像。该研究首次揭示了心肌梗死等病理状态下器官间代谢网络的时空动态变化，为空间系统代谢研究提供了强大工具（Cell Reports. 2024;44:116246）。

　　

在生命活动过程中，三磷酸腺苷（ATP）作为通用的能量货币，驱动着细胞内各种生化反应的进行。从肌肉收缩到神经信号传递，从物质合成到细胞分裂，几乎所有生命活动都依赖ATP提供的能量。然而，长期以来，科学家们缺乏有效的手段在活体动物中实时观测ATP的动态变化，特别是在不同器官、组织乃至细胞器水平上的分布和波动情况。传统方法如ATP生物发光成像或分离细胞的FRET（F?rster共振能量转移）技术，往往存在空间分辨率不足、时间响应慢或需要组织提取等局限性，无法捕捉活体中快速的ATP波动和空间异质性。

为了解决这一技术瓶颈，由日本国家心血管研究中心的山本昌道（Masamichi Yamamoto）教授领导的研究团队，经过多年攻关，成功开发了一种名为AVID（ATP visualization in vivo directly）的转基因小鼠模型。这一突破性成果于近期发表在《细胞》子刊《Cell Reports》上，为能量代谢研究领域带来了革命性的工具。

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：利用ROSA26位点基因敲入技术构建组成型表达GO-ATeam2生物传感器的转基因小鼠模型；通过双光子显微镜和宏观荧光成像系统实现从微观到宏观的多尺度ATP成像；结合电生理刺激、心肌梗死动物模型等手段研究不同生理病理状态下的ATP动态变化；采用质谱成像（MS imaging）和代谢组学技术进行空间代谢分析；使用Western blot、免疫组化等技术验证传感器表达情况。研究使用的AVID小鼠模型通过胚胎干细胞基因打靶技术构建，并回交至C57BL/6J背景达10代以上。

研究结果方面，论文通过以下几个部分展示了其重要发现：

生成和验证用于体内ATP成像的AVID小鼠：研究人员成功构建了在ROSA26位点敲入GO-ATeam2生物传感器的转基因小鼠品系。该品系在所有组织和发育阶段均能稳定表达ATP传感器，且不影响小鼠的正常发育和代谢功能。通过体外和体内实验验证，该传感器的ATP解离常数（K_d）约为1.6 mM，能够准确检测生理范围内的ATP浓度波动。

AVID小鼠中ATP分布的多尺度空间成像：研究展示了AVID小鼠在多个尺度上的成像能力。宏观成像显示，新生小鼠各器官呈现均匀的GO-ATeam表达，能够同时定量检测胸腹部多个器官的ATP浓度。高分辨率双光子显微镜成像成功检测到大脑齿状回多形层等区域的低ATP水平，以及神经元内ATP分布的不均匀性——胞体区域ATP水平高于树突区域。

骨骼肌中ATP动态的毫秒级时间分辨率：通过刺激坐骨神经诱导胫骨前肌收缩，研究人员以0.05秒的时间间隔记录了FRET/GFP比值变化。发现90%的ATP消耗发生在收缩开始后的第一秒内，其中50%的消耗发生在最初的0.2秒内。这表明ATP消耗主要集中在收缩早期张力快速增加阶段，而张力维持期间的ATP利用较少。

心肌梗死后的系统和时间ATP响应：通过结扎左前降支冠状动脉诱导急性心肌梗死，研究人员对多个器官进行了长达5天的纵向ATP成像。发现心肌梗死不仅引起心脏组织ATP耗竭，还触发了 previously未报道的系统性代谢响应，包括肝脏、肾脏、小肠和大肠的显著ATP减少。值得注意的是，肠道ATP耗竭发生在梗死后的几分钟内，先于其他器官的变化。

空间受限的肝脏ATP耗竭和局部代谢重塑：通过双光子显微镜监测肝脏ATP浓度动态，发现ATP耗竭并非均匀分布，而是空间受限地发生在中央静脉周围的汇管区（zone 3）。这种局部ATP耗竭大约在心肌梗死开始后10分钟出现，并随时间逐渐扩展。代谢组学和空间质谱成像分析发现，在ATP耗竭区域特异性积累了犬尿喹啉酸（kynurenic acid），而这种局部代谢响应在常规的整体代谢组学分析中被完全忽略。

研究结论和讨论部分强调，AVID小鼠代表了空间系统代谢研究领域的变革性资源。通过提供从全身到细胞水平的实时、多尺度ATP成像能力，AVID使得宏观器官水平成像与微观空间代谢组学的无缝整合成为可能。这种高空间和时间分辨率的结合，实现了对活体生物中ATP动态的全面可视化，将促进器官间通讯、代谢异质性和早期疾病标志物等方面的发现。

研究人员也讨论了研究的局限性，指出遗传编码的荧光生物传感器（包括GO-ATeam2）可能受到氧浓度、pH值和温度等环境因素的影响。虽然实验评估了主要干扰因素——氧张力和pH值，但在极端病理生理状态下解释FRET信号时仍需谨慎。

该研究建立的空间系统代谢框架可以通过整合其他空间组学技术（如空间转录组学和蛋白质组学）进一步扩展，最终为 comprehensive多组学空间系统生物学铺平道路，以揭示整合的代谢调控网络。AVID小鼠模型不仅为基础代谢研究提供了强大工具，也为疾病机制研究和治疗策略开发提供了新的平台。