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「学术经纬」神奇！把全身变透明，日本科学家开发迄今最强3D组织染色技术


▎药明康德内容团队编辑
近日 ， 日本理化学研究所（RIKEN）的一支科研团队在《自然》子刊Nature Communications上详细介绍了一项颇为神奇的新技术 。 科学家们首先让动物的全身或整个器官变得透明 ， 然后利用优化的三维组织染色和成像方法 ， 让特定类型的细胞或组织在透明身体中以前所未有的清晰度呈现出来 。
「学术经纬」神奇！把全身变透明，日本科学家开发迄今最强3D组织染色技术
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把整个器官、乃至全身变得清晰透明 ， 是近几年发展起来的一类组织清除（tissue clearing）技术 。 日本RIKEN生物系统动力学研究中心在这个领域做出了很大贡献 ， 由上田泰己教授和洲崎悦生教授领导的研究团队在2014年开发了名为CUBIC的组织清除技术 。
不过 ， 获得透明的器官组织还只是第一步 。 这支科研小组希望能够在三维组织中对特定的细胞类型染色和标记 ， 然后让科学家们研究 。 然而 ， 通常所用的染料或荧光标记抗体很难渗透3D组织 。 为了设计出理想的通用型免疫染色和标记方法 ， 研究人员对生物组织的物理化学特性进行了详细分析 。 这让他们发现 ， 透明化后的生物组织相当于一种主要由蛋白质组成的电解质凝胶 ， 在各种化学条件下表现出反复的膨胀和收缩 。
▲在水、酸性、碱性、高盐、有机溶剂等不同化学条件下 ， 小鼠的整个大脑发生膨胀和收缩（图片来源：参考资料[1]）
接下来 ， 基于凝胶组织的物理特性 ， 研究团队构建了一个筛选系统 ， 用人工凝胶来模拟生物组织 ， 定量检测各种染色条件 。 最终 ， 他们建立了一种理想的、通用的3D染色/成像方案 ， 命名为CUBIC-HistoVIsion 。
使用优化的CUBIC-HistoVIsion系统 ， 配合可以在15分钟内拍摄约2000张显微图像的高速3D显微成像 ， 研究团队对小鼠的整个大脑、狨猴的半个大脑和一平方厘米的人脑组织进行了染色和成像 。 此外 ， 还用核染色剂对一只幼年狨猴进行了全身3D成像 。
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▲CUBIC Histo-VIsion染色实例 ， 使用各种神经细胞的标记物 ， 对小鼠大脑进行染色（图片来源：参考资料[1]）
研究人员介绍 ， 这一系统可以用于许多目的 ， 例如比较物种之间的全器官解剖特征 。 CUBIC-HistoVIsion揭示 ， 小鼠和狨猴大脑中 ， 血管的总体分布模式非常相似 ， 提示在进化上可能是保守的 。 他们还发现 ， 人类、小鼠和狨猴小脑中的胶质细胞分布有所不同 。 作者因此推测 ， 不同物种小脑的结构差异可能是胶质细胞模式的差异所致 。
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▲把幼年狨猴全身变透明进行3D成像（图片来源：参考资料[1]）
“我们研究开发的3D染色方法 ， 超越了已发表的典型染色方法 ， 目前是世界上最有效的三维组织学方法 。 ” 此次研究的主要作者洲崎悦生教授表示 ， “它还为组化方法的发展提供了一个范式转变 ， 例如基于组织特性构建染色方案 。 这些结果将有助于我们在器官和全身范围内系统地分析生物的结构和功能 ， 并提高3D临床病理学检查的诊断准确性和客观性 。 ”
论文中报告 ， 该系统目前可以很好地与大约30种不同的抗体和核染色剂配合使用 ， 适用于从大脑到肾功能的许多不同领域 。 研究作者希望未来继续增加适用的抗体和染色剂数量 ， 从而应用于发育、癌症、炎症和传染病等更广泛的研究领域 。
参考资料
[2] New staining technique visualizes whole organs and bodies. Retrieved Apr. 29, 2020, from https://www.riken.jp/en/news_pubs/research_news/pr/2020/20200427_2/
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