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日本理研定量生物研究中心的科学家们同东京大学的研究人员合作开发了一种结合了组织脱色和光片照明荧光显微镜的新技术,通过这种新技术,小鼠器官的内部甚至整个有机体都能被清晰地看到。他们的研究发表于Cell杂志,该研究给了解生命运作的方式提供了新的可能性。他们开发的这项技术能使组织及整个有机体变得一目了然,并能在单细胞分辨水平上对它们进行精确成像。
为了完成这一“壮举”,由Hiroki Ueda带头的研究人员首先采用了一种被称为CUBIC的方法,这种方法的全称是清晰无阻的大脑成像鸡尾酒和计算机分析。之前他们曾使用这种方法对整个大脑进行成像。脑组织富含液体,按理说易于进行廓清实验,然而机体的其他部分还含有很多被称为生色团的分子亚基,这些亚基能吸收光。构成血红蛋白的血红素是其中的一种生色团,它存在于机体大部分的组织中并能阻断光。研究团队对这种现象进行研究并发现,CUBIC试剂所含的氨基醇能从血红蛋白中洗脱出血红素,从而使其他的器官变得更透明。
通过这种方法,他们对小鼠的大脑,心脏,肺,肾脏和肝脏进行了成像,然后他们又在幼鼠和成年小鼠身上分别测试了这种方法,他们发现在任何情况下他们都能清晰地看到组织。他们通过光片照明荧光显微镜技术获得了器官的3D图像,他们使用了组织“薄片”而非切片。为了检验这种方法的实用性,他们检测了糖尿小鼠和非糖尿小鼠的胰腺,发现这两种小鼠的朗格汉斯氏岛存在明显差别。朗格汉斯氏岛是胰腺中产生胰岛素的结构。
由于这些方法要求用试剂来固定组织样本,因此它们不适用于活的有机体。尽管如此,这些方法仍然非常有用,因为通过这些方法,我们对器官的3D结构以及不同组织中某些特定基因是如何表达的有了新的了解。该文章的第一作者Kazuki Tainaka说,“幼鼠和成鼠的整个身体在经过直接的穿心灌注和两周的廓清后变得接近透明,这令我们非常惊讶。通过这些方法我们能看到组织内部的细胞网络,而这是生物学和医学界的重大挑战。”
Hiroki Ueda说,“这种新方法可用于3D病理学,解剖学研究以及免疫组化。例如,它能用于研究胚胎是如何发育的或癌症和自身免疫疾病是如何在细胞水平发生的,从而帮助我们深化对这些疾病的了解并有可能开发出新的治疗手段。单细胞分辨水平的整体成像能促使我们实现有机体水平的系统生物学领域的一大梦想。”
该方面的研究还有很多未完成的工作。研究团队计划对显微镜方法进行改进,从而能对成鼠或更大的样本(比如人脑)的整体进行快速成像。他们还打算通过这项技术深化我们对自身免疫及精神疾病的了解。