創(chuàng)新組織透明技術(shù)在無標(biāo)記腦成像的應(yīng)用

科學(xué)家一直期望在不破壞組織的前提下看清大腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)，光學(xué)成像技術(shù)是重要手段，但大腦中的脂質(zhì)和細(xì)胞外基質(zhì)會(huì)強(qiáng)烈散射光線，使獲取高分辨率厚組織圖像困難重重。在這種情況下，基于FxClear的組織透明化技術(shù)為大腦成像帶來希望，有望突破現(xiàn)有困境，幫助我們更清晰地認(rèn)識大腦，開啟探索大腦奧秘的新篇章。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
厚組織成像的“絆腳石”
在光學(xué)顯微鏡下對厚組織進(jìn)行高分辨率成像一直是個(gè)難題。大腦組織的復(fù)雜性是成像的一大障礙，其中的脂質(zhì)和細(xì)胞外基質(zhì)是“罪魁禍?zhǔn)?rdquo;。脂質(zhì)在大腦中廣泛存在，特別是在白質(zhì)區(qū)域，其富含的髓鞘脂質(zhì)使得光線散射嚴(yán)重。

不同組織對這些技術(shù)的反應(yīng)各不相同，以大腦的灰質(zhì)和白質(zhì)為例，由于白質(zhì)含有豐富的脂質(zhì)髓鞘，其組織透明化效率與灰質(zhì)存在差異。而且，組織的大分子含量和排列具有獨(dú)特性，這使得其光學(xué)性質(zhì)因組織類型和狀態(tài)而異，這些因素對組織透明化效果的影響程度也不盡相同。研究表明，在大多數(shù)組織中，折射率匹配對組織透明化效果的影響最大，這意味著組織細(xì)胞外基質(zhì)的性質(zhì)可能是影響組織清晰度的關(guān)鍵因素。但現(xiàn)有技術(shù)在處理不同組織時(shí)，很難精準(zhǔn)地平衡各種因素，以達(dá)到理想的透明化效果。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
FxClear技術(shù)的核心“武器”
FxClear技術(shù)是本研究的核心，主要通過洗滌劑對組織進(jìn)行脫脂處理。與其他脫脂方法不同的是，F(xiàn)xClear技術(shù)不會(huì)將脂質(zhì)完全去除，而是保留了一定比例的脂質(zhì)，這一特點(diǎn)反而成為了它的優(yōu)勢。在大腦組織中，這種不完全脫脂使得白質(zhì)和灰質(zhì)之間的對比度增加，巧妙地加深了某些區(qū)域的顏色，讓畫面的層次更加分明。

進(jìn)一步研究不同的折射率匹配試劑發(fā)現(xiàn)，即使調(diào)整所有介質(zhì)的折射率相同，由于脫脂程度和介質(zhì)種類的不同，樣本的透明度也會(huì)有顯著差異。其中，碘克沙醇表現(xiàn)出最高的灰質(zhì)與白質(zhì)比值，能夠?yàn)樾∈竽X1mm連續(xù)切片的神經(jīng)束可視化提供足夠的對比度，在透射光顯微鏡或立體顯微鏡下都能清晰觀察到神經(jīng)束。

不同脫脂方法的“大比拼”
為了驗(yàn)證其他脫脂方法是否適用于無標(biāo)記成像，研究人員選擇了CUBIC和iDISCO這兩種常用的組織透明化方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CUBIC和iDISCO處理的腦切片雖然具有較高的組織透明度和灰質(zhì)與白質(zhì)對比度，但CUBIC處理的切片對比度明顯不如FxClear技術(shù)或iDISCO處理的切片。這說明不同的脫脂方法各有優(yōu)劣，F(xiàn)xClear技術(shù)在提供高折射率對比度方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠?yàn)闃?biāo)記成像提供更好的基礎(chǔ)。

成像實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
光學(xué)成像“工具包”大顯身手
為了全面評估FxClear技術(shù)的成像效果，研究人員使用了多種光學(xué)成像技術(shù)，包括傳統(tǒng)的透射光顯微鏡、立體顯微鏡，以及先進(jìn)的光學(xué)相干斷層掃描（OCT）和光學(xué)相干顯微鏡（OCM），還有基于自發(fā)熒光的選擇性平面照明顯微鏡（SPIM）。

傳統(tǒng)顯微鏡下的“新發(fā)現(xiàn)”
在傳統(tǒng)的透射光顯微鏡和立體顯微鏡下，F(xiàn)xClear處理的樣本展現(xiàn)出獨(dú)特的成像效果。通過調(diào)整折射率匹配介質(zhì)，研究人員能夠清晰地觀察到小鼠腦切片中灰質(zhì)和白質(zhì)的差異，以及神經(jīng)束的分布。在高對比度的成像下，神經(jīng)纖維束的走向和結(jié)構(gòu)一目了然，不同的折射率匹配介質(zhì)能夠突出不同的組織特征，為研究人員提供了更多觀察和分析的角度。

在OCT成像中，對光穿透深度、對比度等指標(biāo)進(jìn)行量化分析，結(jié)果表明FxClear處理結(jié)合碘克沙醇折射率匹配能夠提供最佳的對比度和足夠的成像深度，滿足無標(biāo)記成像的需求。這些量化數(shù)據(jù)為FxClear技術(shù)的有效性提供了有力的證據(jù)，讓研究結(jié)論更加科學(xué)可靠。

總結(jié)與展望
FxClear技術(shù)為腦科學(xué)研究提供了簡單可靠的無標(biāo)記成像方法，可清晰觀察大腦結(jié)構(gòu)和病理變化，助力神經(jīng)科學(xué)和病理學(xué)研究，推動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)疾病機(jī)制探索與早期診斷。在臨床診斷領(lǐng)域，其無標(biāo)記成像特性有助于更簡便獲取大腦信息，為腦損傷和退行性疾病診斷、治療方案制定提供依據(jù)。然而，F(xiàn)xClear技術(shù)存在局限，難以識別細(xì)胞異質(zhì)性，且自制成像系統(tǒng)不利于結(jié)果比較。未來，需結(jié)合其他技術(shù)增強(qiáng)細(xì)胞層面信息獲取能力，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備與方法，為生命科學(xué)發(fā)展帶來新突破。

論文信息

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。

Lee B, Lee E, Kim JH, Kim HJ, Kang YG, Kim HJ, Shim JK, Kang SG, Kim BM, Kim K, Kim Y, Cho K, Sun W. Sensitive label-free imaging of brain samples using FxClear-based tissue clearing technique. iScience. 2021 Mar 5;24(4):102267.

DOI:10.1016/j.isci.2021.102267.