首个真正让动物全身透明的技术诞生:挑战人类在解剖学的终极梦想

科学
首个真正让动物全身透明的技术诞生:挑战人类在解剖学的终极梦想
麻省理工科技评论 2018-12-01

2018-12-01

通过向小鼠体内泵入纳米抗体,对特定的细胞类型进行标记,首次实现不破坏结构的情况下,真正透视小鼠细胞、组织及器官的状态以及之间的联系。
生物
通过向小鼠体内泵入纳米抗体,对特定的细胞类型进行标记,首次实现不破坏结构的情况下,真正透视小鼠细胞、组织及器官的状态以及之间的联系。

在 11 月初举行的 2018 美国神经科学学会年会上,来自德国慕尼黑大学的研究人员展示了一项名为 vDISCO 的技术,可以使死亡的小鼠变得像塑料一般,浑身透明而坚硬。通过向小鼠体内泵入纳米抗体,对特定的细胞类型进行标记,首次实现不破坏结构的情况下,真正透视小鼠细胞、组织及器官的状态以及之间的联系。

话不先多说,直接上图——

首个真正让动物全身透明的技术诞生:挑战人类在解剖学的终极梦想

图 | vDISCO 技术处理后的完全「透视」小鼠(图片来源:biorxiv.org)

首个真正让动物全身透明的技术诞生:挑战人类在解剖学的终极梦想

图 | 用 vDISCO 技术处理的老鼠神经系统(绿光部分)(图片来源:erturklab)

首个真正让动物全身透明的技术诞生:挑战人类在解剖学的终极梦想

图 | 神经、骨骼、内脏、肌肉的透视组合(图片来源:biorxiv.org)

本项研究的领导者,来自德国慕尼黑大学的 Ali Ertürk 教授感叹道,“这简直可以算得上疯狂,你的目力甚至可以穿透骨骼和肌肉,它们现在统统隐身了。”

研究人员同时表示,此项技术的实现,不仅可以将小鼠体内不同类型细胞的互作关系清晰准确的呈现在研究者面前,精准地定位动物体内特定组织的位置,更能揭示器官之间神秘的结构联系,如脑损伤与免疫系统之间的关系,为未来治疗创伤性脑损伤及中风提供新的思路。



解剖——对生命奥秘的好奇


人类穷极一生都在尝试认识自我,而对于生物学家来说,第一步就是看清自己。

包裹在皮囊下的人体就像是一座神秘的宫殿,人类抽丝剥茧,穿过皮肤、肌肉、骨骼,渴望了解组织器官的结构,认清他们之间的精妙而细微的联系。

有关解剖学的最早记载,是成书于公元前 1600 年的古埃及艾德温·史密斯纸草文稿(Edwin Smith Papyrus),这本古埃及医书描述了人体心脏、肝、脾、肾、下丘脑、子宫和膀胱的位置,以及心脏血管的流向。

公元 2 世纪,古罗马时期最著名最有影响的医师 Claudius Galenus,通过对动物的活体解剖实验,阐述了他自己在解剖生理上的许多发现,并留下诸多医学著作。但在之后的一千多年里,宗教统治严重地阻碍了科学文化的进步,也严重束缚了医学和解剖学的发展。

首个真正让动物全身透明的技术诞生:挑战人类在解剖学的终极梦想

图 | 古代解剖学的演绎(图片来源:wikipedia)

直到欧洲中世纪的文艺复兴时期,解剖学和生理学和其它科学艺术领域一样,重新迎来了巨大的变化和进步。

18 世纪末到 19 世纪初,整个医学科学的孕育发展,使得医学实践和医学教育对于尸体解剖的需求大幅增加。被处决的罪犯尸体成为解剖学家们争夺的对象,甚至医学院纷纷出高价求购尸体,这也让当时的尸体地下交易市场大增,墓地尸体被盗的案件十分普遍。

可以说,解剖学的发展奠定了整个现在医学的基础,而现代医学技术的进步,也彻底改变了解剖学的发展。

显微镜的出现,使得解剖学家们看到了人眼看不到的微观世界,并开启了活体组织检查的发展。用于检查身体内部结构的非侵入性现代解剖学新技术,同样带来了革命性进展。

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图 | 磁共振成像头部切面扫描成像(图片来源:wikipedia)

X 射线可以穿过身体,用于呈现身体内部不同程度不透明度的内部结构。超声成像、磁共振成像(MRI)以及计算机断层扫描(CT)等技术的诞生,呈现出前所未有的身体内部结构细节,远远超出以往解剖学家们的想象。

但是,这并没有终止科学家们对于更大程度上“透视”的探索。



透视——解剖学从未放弃的探索


对于传统的解剖学来说,无论是将器官整体取出还是活体组织切片,对于内部结构及其联系的探究都有很大程度的影响,一些现代非侵入式透视技术,虽然为观察人体内部构造提供了绝佳视角,但对于相对抽象的神经信号传导,以及“结构与联系”的问题,这些解剖学技术让生理学家们显得心有余而力不足。

2013 年,有着光遗传学之父称号的斯坦福大学神经学大牛 Karl Deisseroth,与他当时的研究团队成员 Kwanghun Chung 通过 CLARITY 技术,获得了完整的透明脑组织结构。

首个真正让动物全身透明的技术诞生:挑战人类在解剖学的终极梦想

图 | 使用 CLARITY 和荧光标记可视化完整小鼠海马体中的神经元(图片来源:Stanford Univ)

通常人们在研究大脑结构时,会将大脑组织切成一片片非常薄的脑组织切片,然后在显微镜下对这些切片进行观察,最后将不同切片的图像重新重叠在一起,得到立体的结构信息。这种方法不仅费时费力,在切片的过程中也难免对组织结构造成损伤,不够精确。

而 CLARITY 是一项可以将大脑变透明的技术,这种技术通过让水凝胶浸入死亡的大脑,并与神经元细胞组分相结合,锁定细胞结构,然后迅速洗掉不透光的脂质成分,最终就能获得了完整的透明脑组织结构,而且大脑中的神经元、轴突、树突、突触、蛋白、核酸等等都完好的维持在原位。

将整个器官变得透明的技术,推动了科学家们对于大脑等极其复杂器官的研究。科学家使用 CLARITY 技术,以前所未有的简便性和准确性来观察大型神经元网络,也为对来自患者和健康捐赠者的大脑衰老开辟了新的研究途径。

美国马里兰州国家精神卫生研究所所长 Thomas Insel 表示,“这可能是几十年来神经解剖学最重要的进展之一。”



首个真正让动物全身都透明的技术


2016 年,德国慕尼黑大学的 Ali Ertürk 将“透视”技术更进一步,成功开发出一种名为uDISCO 的技术,该技术可以将啮齿类动物的身体缩小 65%,同时使其透明化。

研究人员在今年进一步完善技术,带来了 vDISCO。相比于之前的透明化技术,研究者们将一种纳米抗体泵入小鼠体内,荧光信号强度可提升近 120 倍。

首个真正让动物全身透明的技术诞生:挑战人类在解剖学的终极梦想

图 | Ali Ertürk 及其研究团队(图片来源:慕尼黑大学官网)

在最新发表的论文中,Ertürk 团队的成员首先将小鼠身体浸入有机溶剂中,用以去除脂肪和色素。随后,他们将一种来源于骆驼或羊驼的纳米抗体泵入死亡小鼠的循环系统,对不同的细胞类型进行标记。

这种抗体的大小只有常规抗体的十分之一左右,因而可以很轻易地穿过细微的血管进入全身各处,当纳米抗体走过全身,特定的细胞类型会被对应的抗体所标记,被标记后的细胞在显微镜下发出莹莹绿光。

“这是首个真正让动物全身都透明的技术,”如今已经是麻省理工学院工程师的 Kwanghun Chung 由衷地赞叹道,“这也是前所未有的技术。”

通过这项技术,Ertürk 团队构建了首个也是目前独一无二的小鼠神经元连接综合图,这一结构图的绘制将帮助研究者从整个生物系统对疾病有更多的理解。

而 vDISCO 带来的惊喜远不止这些,随后,研究人员在创伤性脑损伤小鼠模型中对 vDISCO 技术进行了测试。研究发现,脑部或脊髓损伤的影响可以延伸到躯干中神经与肌肉的交界处,相对于对照组,受伤的小鼠神经末梢较小且分支较少。

未来,Ertürk 计划将 vDISCO 技术应用到病毒、癌细胞,甚至是其他侵入物的全身追踪中,同时,他的研究团队也正在设计机器学习的方法用来计算和评估标记的细胞,用以避免人为偏差或错误。

一个新的角度、新的技术,甚至一个新的概念,都可能带来一个科研时代的终结与革新。透明小鼠的出现,也许正意味着以解剖学为基础的生命科学新的变革正在开始。

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