Cell:日本学者让小鼠变透明 实现系统生物学终极梦想
生物通/叶予 · 2014/11/10
东京大学和日本科学振兴机构(Japan Science and Technology Agency)通过将盐溶液注入到老鼠的心脏里,以此来挤压循环系统中的血液,将老鼠体内的血红素挤压出来达到透明的目的,然后将其浸泡在试剂中两周后可用于研究。


日本RIKEN和东京大学的科学家们,将组织脱色与光切荧光显微镜结合起来,成像了多种器官乃至整个生物体,得到了极为详细的内部图像。这一成果发表在本期的Cell杂志上。

理解生命的运作方式是一直系统生物学的终极梦想。将组织和生物体透明化然后进行单细胞分辨率的精确成像,将成为实现这一梦想的全新途径。

研究人员在这项研究中采用了一种名为CUBIC(Clear, Unobstructed Brain Imaging Cocktails and Computational Analysis)的方法,他们之前曾用这个方法成像了整个大脑。大脑组织富含脂类比较容易透明化,但机体其他部分含有许多能够吸收光的生色团(chromophore),比如血红素heme。血红素是血红蛋白的重要组分,存在于机体的绝大多数组织,并且会阻断光线。


研究人员在针对这个问题进行研究时,意外发现CUBIC试剂中的氨基醇能够将血红素从血红蛋白中提取出来,由此显著提高器官的透明度。

他们用这个方法处理小鼠的大脑、心脏、肺、肾脏、肝脏甚至整个幼鼠和成年小鼠,得到了异常透明的小鼠。在此基础上的光切(light-sheet)荧光显微成像,获得了非常清晰的3D图像。为了测试这个方法的实用性,研究人员比较了糖尿病和非糖尿病小鼠的胰腺,发现它们的胰岛存在明显的差异,胰岛是胰腺生产胰岛素的结构。


CUBIC需要用试剂固定组织,所以不能用于活体生物。不过,CUBIC可以帮助人们深入了解器官的3D结构,以及特定基因在不同组织中的表达,文章的第一作者Kazuki Tainaka说。“我们的方法能得到几乎全身透明的幼鼠和成年小鼠。通过这个技术人们能观察到组织里的细胞网络,这是生物学和医学领域的一个基本挑战。”

“CUBIC可以用于3D病理学研究、解剖学研究和整个生物体的免疫组化分析。举例来说,可以用CUBIC在细胞水平上观察胚胎的发育,或者癌症和自身免疫疾病的发展。深入理解疾病的过程,有助于我们开发新的治疗策略。在单细胞水平上的全身成像,有望实现系统生物学领域的终极梦想,”这项研究的领导者Hiroki Ueda说。

研究团队正在进一步改进显微成像方法,以便快速成像成年小鼠的整个机体甚至人类大脑。他们希望通过这一技术,深入理解自身免疫疾病和精神疾病的机制。

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