vDISCO技術處理后的完全“透視”小鼠

綠光部分是用vDISCO技術處理的老鼠神經(jīng)系統(tǒng)

在 11 月初舉行的 2018 美國神經(jīng)科學學會年會上，來自德國慕尼黑大學的研究人員展示了一項名為 vDISCO 的技術，可以使死亡的小鼠變得像塑料一般，渾身透明而堅硬。通過向小鼠體內(nèi)泵入納米抗體，對特定的細胞類型進行標記，首次實現(xiàn)不破壞結構的情況下，真正透視小鼠細胞、組織及器官的狀態(tài)以及之間的聯(lián)系。

本項研究的領導者，來自德國慕尼黑大學的 Ali Ertürk 教授感嘆道，“這簡直可以算得上瘋狂，你的視力甚至可以穿透骨骼和肌肉，它們現(xiàn)在統(tǒng)統(tǒng)隱身了?！?/p>

研究人員同時表示，此項技術的實現(xiàn)，不僅可以將小鼠體內(nèi)不同類型細胞的互作關系清晰準確的呈現(xiàn)在研究者面前，精準地定位動物體內(nèi)特定組織的位置，更能揭示器官之間神秘的結構聯(lián)系，如腦損傷與免疫系統(tǒng)之間的關系，為未來治療創(chuàng)傷性腦損傷及中風提供新的思路。

解剖——對生命奧秘的好奇

人類窮極一生都在嘗試認識自我，而對于生物學家來說，第一步就是看清自己。包裹在皮囊下的人體就像是一座神秘的宮殿，人類抽絲剝繭，穿過皮膚、肌肉、骨骼，渴望了解組織器官的結構，認清他們之間的精妙而細微的聯(lián)系。

有關解剖學的最早記載，是成書于公元前 1600 年的古埃及艾德溫·史密斯紙草文稿，這本古埃及醫(yī)書描述了人體心臟、肝、脾、腎、下丘腦、子宮和膀胱的位置，以及心臟血管的流向。公元 2 世紀，古羅馬時期最著名最有影響的醫(yī)學家克勞迪亞斯·蓋倫，通過對動物的活體解剖實驗，闡述了他自己在解剖生理上的許多發(fā)現(xiàn)，并留下諸多醫(yī)學著作。但在之后的1000多年里，宗教統(tǒng)治嚴重地阻礙了科學文化的進步，也嚴重束縛了醫(yī)學和解剖學的發(fā)展。直到歐洲中世紀的文藝復興時期，解剖學和生理學和其它科學藝術領域一樣，重新迎來了巨大的變化和進步。

神經(jīng)、骨骼、內(nèi)臟、肌肉的透視組合

Ali Ertü rk 及其研究團隊

古代解剖學的演繹

18 世紀末到 19 世紀初，整個醫(yī)學科學的孕育發(fā)展，使得醫(yī)學實踐和醫(yī)學教育對于尸體解剖的需求大幅增加。被處決的罪犯尸體成為解剖學家們爭奪的對象，甚至醫(yī)學院紛紛出高價求購尸體，這也讓當時的尸體地下交易市場大增，墓地尸體被盜的案件十分普遍。

可以說，解剖學的發(fā)展奠定了整個現(xiàn)在醫(yī)學的基礎，而現(xiàn)代醫(yī)學技術的進步，也徹底改變了解剖學的發(fā)展。顯微鏡的出現(xiàn)，使得解剖學家們看到了人眼看不到的微觀世界，并開啟了活體組織檢查的發(fā)展。用于檢查身體內(nèi)部結構的非侵入性現(xiàn)代解剖學新技術，同樣帶來了革命性進展。X 射線可以穿過身體，用于呈現(xiàn)身體內(nèi)部不同程度不透明度的內(nèi)部結構。超聲成像、磁共振成像（MRI）以及計算機斷層掃描（CT）等技術的誕生，呈現(xiàn)出前所未有的身體內(nèi)部結構細節(jié)，遠遠超出以往解剖學家們的想象。但是，這并沒有終止科學家們對于更大程度上“透視”的探索。

透視——解剖學從未放棄的探索

對于傳統(tǒng)的解剖學來說，無論是將器官整體取出還是活體組織切片，對于內(nèi)部結構及其聯(lián)系的探究都有很大程度的影響，一些現(xiàn)代非侵入式透視技術，雖然為觀察人體內(nèi)部構造提供了絕佳視角，但對于相對抽象的神經(jīng)信號傳導，以及“結構與聯(lián)系”的問題，這些解剖學技術讓生理學家們顯得心有余而力不足。

2013 年，有著光遺傳學之父稱號的斯坦福大學神經(jīng)學大?？枴ご魃_斯，與他當時的研究團隊成員 Kwanghun Chung 通過 CLARITY 技術，獲得了完整的透明腦組織結構。通常人們在研究大腦結構時，會將大腦組織切成一片片非常薄的腦組織切片，然后在顯微鏡下對這些切片進行觀察，最后將不同切片的圖像重新重疊在一起，得到立體的結構信息。這種方法不僅費時費力，在切片的過程中也難免對組織結構造成損傷，不夠精確。而 CLARITY 是一項可以將大腦變透明的技術，這種技術通過讓水凝膠浸入死亡的大腦，并與神經(jīng)元細胞組分相結合，鎖定細胞結構，然后迅速洗掉不透光的脂質(zhì)成分，最終就能獲得了完整的透明腦組織結構，而且大腦中的神經(jīng)元、軸突、樹突、突觸、蛋白、核酸等等都完好的維持在原位。

將整個器官變得透明的技術，推動了科學家們對于大腦等極其復雜器官的研究?？茖W家使用 CLARITY 技術，以前所未有的簡便性和準確性來觀察大型神經(jīng)元網(wǎng)絡，也為對來自患者和健康捐贈者的大腦衰老開辟了新的研究途徑。美國馬里蘭州國家精神衛(wèi)生研究所所長 Thomas Insel 表示，“這可能是幾十年來神經(jīng)解剖學最重要的進展之一?！?/p>

首個真正讓動物全身都透明的技術

2016 年，德國慕尼黑大學的 Ali Ertürk 將“透視”技術更進一步，成功開發(fā)出一種名為 uDISCO 的技術，該技術可以將嚙齒類動物的身體縮小 65%，同時使其透明化。研究人員在今年進一步完善技術，帶來了 vDISCO。相比于之前的透明化技術，研究者們將一種納米抗體泵入小鼠體內(nèi)，熒光信號強度可提升近 120 倍。

使用CLARITY 和熒光標記可視化完整小鼠海馬體中的神經(jīng)元

在最新發(fā)表的論文中，Ertürk 團隊的成員首先將小鼠身體浸入有機溶劑中，用以去除脂肪和色素。隨后，他們將一種來源于駱駝或羊駝的納米抗體泵入死亡小鼠的循環(huán)系統(tǒng)，對不同的細胞類型進行標記。這種抗體的大小只有常規(guī)抗體的1/10左右，因而可以很輕易地穿過細微的血管進入全身各處，當納米抗體走過全身，特定的細胞類型會被對應的抗體所標記，被標記后的細胞在顯微鏡下發(fā)出瑩瑩綠光。“這是首個真正讓動物全身都透明的技術，”如今已經(jīng)是麻省理工學院工程師的 Kwanghun Chung 由衷地贊嘆道，“這也是前所未有的技術?！蓖ㄟ^這項技術，Ertürk 團隊構建了首個也是目前獨一無二的小鼠神經(jīng)元連接綜合圖，這一結構圖的繪制將幫助研究者從整個生物系統(tǒng)對疾病有更多的理解。

而 vDISCO 帶來的驚喜遠不止這些，隨后，研究人員在創(chuàng)傷性腦損傷小鼠模型中對 vDISCO 技術進行了測試。研究發(fā)現(xiàn)，腦部或脊髓損傷的影響可以延伸到軀干中神經(jīng)與肌肉的交界處，相對于對照組，受傷的小鼠神經(jīng)末梢較小且分支較少。未來，Ertürk 計劃將 vDISCO 技術應用到病毒、癌細胞，甚至是其他侵入物的全身追蹤中，同時，他的研究團隊也正在設計機器學習的方法用來計算和評估標記的細胞，用以避免人為偏差或錯誤。

一個新的角度、新的技術，甚至一個新的概念，都可能帶來一個科研時代的終結與革新。透明小鼠的出現(xiàn)，也許正意味著以解剖學為基礎的生命科學新的變革正在開始。（摘自美《深科技》）（編輯/華生）