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组织透明化,看看科学家又有哪些新方法 远慕新闻√

提供者:上海远慕生物科技有限公司   发布时间:2019/11/19  阅读次数:54次   进入该公司展台

哺乳动物的大脑由数十亿个神经元组成,这些神经元通过不同的回路连接在一起,而每个回路都参与了特定的生理功能。为了更好地了解这些不同的神经元和回路如何与心理活动和疾病相关联,研究人员正在重建神经网络的三维图。

然而,哺乳动物大脑的3D成像是一项很有挑战性的工作。光在穿过各层组织时会被水、脂质和蛋白质等各种分子散射,这会大大降低图像分辨率。于是,研究人员从组织中去除水和脂质来减少散射,同时引入化学物质让生物组织变得透明。

2013年,哈佛大学的Karl Deisseroth及其团队开发出的CLARITY水凝胶技术轰动了全世界。这项技术使研究人员能够用荧光标记物标记小鼠神经组织中的神经元,然后在不切片的情况下对整个小鼠大脑进行成像,同时保留荧光信号。

自那时起,研究人员不断开发出能够更好地保留组织结构和蛋白质结构的化合物,让组织透明化技术不断得到改善。最近,《The Scientist》杂志介绍了组织透明化方面的一些新技术,有助于实现高分辨率的大脑成像。


与脂质兼容的透明化方法

研究者:华中科技大学,朱丹

许多组织透明化方法都会利用有机溶剂或去垢剂来降解细胞膜的脂质,同时采用脂质染料来染色神经元和细胞器。朱丹及其团队于是开发出一种称为RTF的方法,与脂质染料兼容(Sci Rep, 8:1964, 2018)。

RTF是一种包含水、甲酰胺和三乙醇胺的溶液。早前,另一个实验室无意中发现甲酰胺能够让组织变得透明。一些研究表明,甲酰胺很有可能让蛋白质部分变性,降低其折射率并使其更接近水和脂质,从而创建了折射率更均匀的环境。

朱丹领导的研究团队发现,利用RTF让小鼠大脑变得透明之后,内源蛋白的荧光信号没有被淬灭,另一种广泛用于轴突染色的脂质染料Dil的信号也没有被淬灭。其他技术大约需要一周的时间让组织变得透明,而RTF只需要一天的时间。这个过程也是可逆的,将组织浸泡在盐水中,透明的组织可以恢复到原始状态。

不过,RTF不适用于厚度超过1毫米的成年小鼠脑组织。透明化的组织还存在2%到5%的收缩,这会降低组织结构成像和神经网络的准确性。此外,抗体渗透到透明化组织的速度会减慢,今后他们打算解决这个抗体减速问题,从而进一步减少组织处理时间。

小贴士:为了优化组织的透明度,朱丹教授建议调整其实验方案中的处理时间。尽管RTF并未在市场上销售,但这些试剂价格便宜,可以自行配制。她认为,透明化过程比其他大多数组织处理技术更简单。

让硬组织和软组织都变得透明

研究者:德州农工大学,Hu Zhao

现有的透明化方案并未同时针对大脑和脊髓等软组织以及钙化的硬组织(比如骨骼)进行优化。这使得人们难以观察中枢神经系统和周围神经系统之间的完整连接,因为脊髓中的周围神经连接到椎骨,而椎骨不透明无法成像。

Zhao及其团队开发出一种名为PEGASOS的方法,可让软组织和硬组织同时变得透明(Cell Res, 28:803–18, 2018)。它的不同之处在于使用聚乙二醇(PEG)来增强荧光信号,并增加了两个步骤:硬组织的脱钙和有色组织(如肝脏)的脱色。处理方法有两种:将组织浸泡在溶液中;或用灌注泵将溶液泵到全身。

他们利用PEGASOS方法来追踪大鼠脊柱两个不同节段之间的轴突,并观察脊髓内的神经元,而无需通过手术将它们与椎骨分开。他们还发现,神经集中在某些骨骼区域内。不过,PEGASOS的处理会导致组织收缩30%到40%,这可能会使组织结构变形。

对于浸泡的组织,透明化过程大约需要7-12天。整个生物体的透明化显然需要更长的时间,因为透明化溶液必须循环处理10天,这样年幼大鼠的透明化时间大约为三周,而成年大鼠的循环时间还要加倍,因为它们的组织更多。未来,研究人员打算解决组织收缩的问题,并减少与之相关的自发荧光。

小贴士:组织透明化只是万里长征的第一步,而随后的成像和数据处理则更具挑战性。Zhao博士建议新用户不要一开始就处理整个器官,而是从薄薄的组织切片开始,以便熟悉整个流程。这项技术使用的试剂都是现成的,他估计整个小鼠大脑的透明化成本大约为30美元。

不但透明,而且放大

研究者:东京大学,Hiroki Ueda

现有的大多数大脑透明化技术都无法使组织变得完全透明,因此很难以单细胞分辨率构建大脑图像。东京大学的Ueda及其同事在筛选了将近1,700种化学物质后,开发出一种名为CUBIC-X的方法,不仅可让脑组织变得透明,而且还能膨胀数倍(Nat Neurosci, 21:625–37, 2018)。

他们将组织浸没在亲水性试剂中,使大脑的体积膨胀约十倍。利用这种操作,Ueda及其同事能够对厚度为1厘米的小鼠大脑进行成像,而不会丢失任何细胞。此外,由于膨胀的组织中大约99%是水,因此整个大脑各层的折射率几乎保持不变。这会使组织变得透明,并使得单细胞成像的光透射率接近100%。

不过,这种让组织膨胀的化学物质往往会淬灭神经元和RNA标记的荧光信号。利用CUBIC-X让整个小鼠大脑变得透明,大约需要16天。下一步,Ueda希望将这种技术应用在其他器官,包括心和肺。

小贴士:研究人员创建了开放获取的小鼠大脑地图集CUBIC-Atlas。用户可将其数据与这个地图集进行比较,评估大脑透明化处理的重复性。CUBIC-X试剂现已上市(Tokyo Chemical Industry),25 mL的售价为50美元,足够处理一只小鼠的大脑。

保护功能出色的SHIELD方法

研究者:麻省理工学院,Kwanghun Chung(CLARITY技术的开发者)

在组织透明化的过程中,人们往往利用酶和化学物质来消化组织,去除脂质,有时还会让样品脱水。这个过程不可避免地会降解蛋白质和RNA,破坏关键的分子信息,还会淬灭荧光信号。Chung及其同事采用一种称为聚环氧化物的材料来解决这个问题。

研究人员筛选了六种环氧化物,并通过计算机模拟来确定哪种能最好地保留绿色荧光蛋白(GFP)的荧光。然后,他们将选定的环氧化物注入转基因小鼠的脑组织中,这些小鼠的神经元表达GFP。在那里,环氧化物与GFP发生反应,形成柔性化学键。这些键能够避免GFP在透明化过程中变性,并允许GFP在处理后重新回到其天然构象。

Chung及其同事表明,这种名为SHIELD的方法可保持荧光蛋白的信号,保护内源性蛋白质和RNA的结构,并降低自发荧光(Nat Biotechnol, 37:73–83, 2019)。它可以保留蛋白质与抗体结合的能力,以及RNA转录本与探针结合的能力。

整个小鼠大脑的SHIELD处理大约需要四天。随后的组织透明化还需要四到六天,故整个过程总共需要两周。下一步,研究人员计划将SHIELD用于更大的器官甚至肿瘤。他们还开发出一种改进的系统,可促进抗体对组织的渗透,从而加快标记速度。

小贴士:组织经过SHIELD处理后会变得较硬,延缓抗体渗透的速度,因此整个小鼠大脑的抗体标记时间须延长两天。SHIELD已上市,可联系Life Canvas Technologies购买。一个500毫升的试剂盒售价为1,000美元,能够处理大约16只小鼠的大脑。

关键词:生物试剂  远慕生物    

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