重大創(chuàng)新：CUBIC-HV厘米級(jí)整體染色方案能對(duì)組織標(biāo)本進(jìn)行均勻染色

近年來(lái)，組織透明化技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為生物醫(yī)學(xué)研究帶來(lái)了新的曙光。在生命科學(xué)的研究進(jìn)程中，對(duì)生物組織內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)和細(xì)胞間復(fù)雜關(guān)系的深入探究，始終是解鎖生命奧秘的關(guān)鍵所在。然而，生物組織的不透明性卻如同橫亙?cè)诳蒲械缆飞系木奘�，極大地限制了研究的深度與廣度。組織透明化技術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生，宛如一道曙光，為這一困境帶來(lái)了全新的解決方案。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
生物組織具有復(fù)雜的三維（3D）結(jié)構(gòu)，若想全面、深入地剖析其內(nèi)部的細(xì)胞組成、組織結(jié)構(gòu)以及細(xì)胞間的相互作用，獲取3D信息至關(guān)重要。光學(xué)顯微鏡具備出色的分辨率，理論上能夠清晰分辨組織中的細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，為微觀世界的研究提供了有力工具。但生物組織的不透明性成為了難以逾越的障礙，傳統(tǒng)的組織學(xué)方法受限于此，無(wú)法直接借助光學(xué)顯微鏡觀察組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)組織內(nèi)部的觀察，傳統(tǒng)組織學(xué)通常將組織切割并制備成眾多切片，再分別進(jìn)行觀察。這種方法不僅耗費(fèi)大量時(shí)間和精力，而且在切片過(guò)程中極易破壞組織原本的三維結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致獲取的信息存在局限性，難以完整呈現(xiàn)組織內(nèi)部的真實(shí)情況。例如，在研究大腦神經(jīng)回路時(shí)，切片觀察無(wú)法直觀展現(xiàn)神經(jīng)元之間復(fù)雜的連接關(guān)系，就像拆解了一幅拼圖，難以還原其全貌。這一困境迫切需要一種創(chuàng)新技術(shù)來(lái)突破，組織透明化技術(shù)便在這樣的背景下逐漸興起。

組織透明化技術(shù)旨在使光線能夠順利穿透目標(biāo)組織，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)樣本進(jìn)行無(wú)需物理切片的3D觀察。但在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的過(guò)程中，面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。從光學(xué)原理角度來(lái)看，光在組織內(nèi)傳播時(shí)，會(huì)遭遇強(qiáng)烈的散射和吸收現(xiàn)象。組織中的各種成分，如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸等，光學(xué)性質(zhì)差異較大，導(dǎo)致光在傳播過(guò)程中不斷改變方向，發(fā)生散射；同時(shí)，組織內(nèi)的色素，如血紅素、黑色素等，會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的光，進(jìn)一步阻礙光的傳播。這些問(wèn)題使得組織在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)出不透明的狀態(tài)，嚴(yán)重影響了成像質(zhì)量和觀察效果。如何有效降低光在組織內(nèi)的散射和吸收，成為組織透明化技術(shù)亟待解決的核心問(wèn)題。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
組織透明化技術(shù)在眾多領(lǐng)域都展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用價(jià)值。在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，它為研究復(fù)雜的神經(jīng)回路提供了有力工具。借助該技術(shù)，科研人員能夠清晰地觀察到多巴胺回路、額葉皮層回路等神經(jīng)通路的完整結(jié)構(gòu)，深入了解神經(jīng)元之間的連接方式和信息傳遞機(jī)制，為探索大腦的奧秘奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在癌癥研究方面，組織透明化技術(shù)也發(fā)揮著不可或缺的作用。通過(guò)對(duì)腫瘤組織進(jìn)行透明化處理，研究者可以從三維視角觀察癌細(xì)胞的分布、侵襲和轉(zhuǎn)移情況，分析腫瘤組織的異質(zhì)性，為癌癥的早期診斷、治療方案的制定以及藥物研發(fā)提供關(guān)鍵信息。對(duì)腫瘤組織進(jìn)行透明化處理后，能夠清晰看到癌細(xì)胞在周圍組織中的浸潤(rùn)范圍和轉(zhuǎn)移路徑，有助于醫(yī)生更準(zhǔn)確地評(píng)估病情并制定個(gè)性化的治療方案。

研究結(jié)果：成就與挑戰(zhàn)并存
在對(duì)透明化組織進(jìn)行三維成像時(shí)，常用的顯微鏡有共聚焦顯微鏡、多光子顯微鏡以及光片顯微鏡等。其中，光片顯微鏡在對(duì)大型透明化樣本進(jìn)行快速三維成像方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的線掃描顯微鏡相比，光片顯微鏡僅激發(fā)采集橫截面，有效避免了信號(hào)從切片平面外泄漏的問(wèn)題，同時(shí)大大縮短了成像時(shí)間，提高了成像效率和質(zhì)量。

在進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了清晰地觀察到細(xì)胞或組織的特定結(jié)構(gòu)，需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)臉?biāo)記。常用的標(biāo)記方法包括利用轉(zhuǎn)基因、基因敲入動(dòng)物等遺傳工具，以及使用病毒載體將標(biāo)記物導(dǎo)入細(xì)胞。此外，采用小分子染料和抗體進(jìn)行組織學(xué)染色也是常見(jiàn)的選擇。但在進(jìn)行3D組織染色時(shí)，面臨著一個(gè)技術(shù)難題：染色探針需要穿透組織并與目標(biāo)結(jié)合，然而傳統(tǒng)的二維染色方法簡(jiǎn)單延伸到三維時(shí)，往往難以獲得均勻的染色效果。

為了解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了深入探索。發(fā)現(xiàn)組織具有與電解質(zhì)凝膠相似的物理化學(xué)性質(zhì)，基于這一發(fā)現(xiàn)，通過(guò)結(jié)合模擬組織的人工凝膠和計(jì)算機(jī)模擬，篩選出了更優(yōu)的3D染色條件，最終成功設(shè)計(jì)出了理想的3D染色方案“CUBIC-HistoVIsion（CUBIC-HV）”。該方案能夠使用各種抗體和染色劑對(duì)體積約為1cm³的3D組織標(biāo)本（如整個(gè)小鼠大腦和人類大腦組織塊）進(jìn)行均勻染色，使得在三維成像中能夠清晰地觀察到不同細(xì)胞類型和組織結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。

深遠(yuǎn)意義與未來(lái)展望
在基礎(chǔ)研究層面，打破傳統(tǒng)組織學(xué)局限，使科研人員能以全新視角觀察生物組織三維結(jié)構(gòu)和細(xì)胞間關(guān)；在發(fā)育生物學(xué)中，通過(guò)對(duì)胚胎組織透明化處理與三維成像，可實(shí)時(shí)觀察胚胎發(fā)育時(shí)器官形成及細(xì)胞分化、遷移過(guò)程；在臨床應(yīng)用上，能為癌癥、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等疑難病癥早期診斷提供更準(zhǔn)確全面依據(jù)，通過(guò)對(duì)患者組織樣本透明化處理與三維分析，醫(yī)生可清晰觀察病變組織細(xì)微結(jié)構(gòu)變化，提升診斷準(zhǔn)確性與早期發(fā)現(xiàn)率。在治療監(jiān)測(cè)方面，可用于評(píng)估藥物療效和疾病進(jìn)展，如癌癥治療時(shí)，定期對(duì)腫瘤組織透明化分析，有助于醫(yī)生及時(shí)調(diào)整治療方案。

未來(lái)將技術(shù)優(yōu)化上，提高透明度、加快處理速度、減少組織損傷，同時(shí)提升成像分辨率和深度，結(jié)合人工智能實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)自動(dòng)化分析，并將與基因編輯、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等前沿技術(shù)深度結(jié)合。應(yīng)用拓展不僅局限于生物醫(yī)學(xué)，還將向材料科學(xué)、植物學(xué)等領(lǐng)域延伸，為材料微觀結(jié)構(gòu)觀察、植物生長(zhǎng)發(fā)育研究提供新視角。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來(lái)源于：Susaki E A. Basics and applications of tissue clearing technology[J]. TCIMAIL, 2022, 189: 9-14.