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超越光學極限:膨脹顯微成像在神經(jīng)病理學的應用

瀏覽次數(shù):528 發(fā)布日期:2025-2-13  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責任自負

神經(jīng)退行性疾病,如阿爾茨海默病、帕金森病等,目前仍缺乏有效的治療手段。想要攻克這些難題,深入了解大腦在疾病狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)和功能變化至關(guān)重要,而這離不開強大的成像技術(shù)支持。今天,就讓我們一同走進大腦成像的前沿領(lǐng)域,探索組織透明化和膨脹顯微成像技術(shù)的神奇之處。
 

研究背景
大腦成像:神經(jīng)退行性疾病研究的關(guān)鍵鑰匙
神經(jīng)退行性疾病種類繁多,包括阿爾茨海默病(AD)、帕金森。≒D)、亨廷頓。℉D)、肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)和額顳葉癡呆(FTD)等。大腦的結(jié)構(gòu)和功能極其復雜,不同細胞群體之間的連接和活動模式?jīng)Q定了其功能。在神經(jīng)退行性疾病中,特定細胞類型的結(jié)構(gòu)變化往往是疾病發(fā)生發(fā)展的基礎(chǔ)。要深入理解神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機制,就需要對大腦進行全面、細致的成像分析,從細胞和分子層面揭示其病理變化。然而,標準光學顯微鏡受光衍射極限的限制,而電子顯微鏡雖然能實現(xiàn)高分辨率的超微結(jié)構(gòu)分析,但缺乏多色熒光顯微鏡的分子特異性和通量,難以同時對多個目標進行成像。

突破成像障礙:組織透明化的誕生
該技術(shù)通過使組織的折射率均勻化,讓樣本變得透明,從而可以使用熒光顯微鏡從一端到另一端對樣本進行成像。其中,光片熒光顯微鏡(LSFM)是一種非常有效的成像工具,它能產(chǎn)生薄激光片來照亮整個樣本中的單個平面,實現(xiàn)對大型標本(如整個小鼠大腦甚至完整的人體器官)的高速、高分辨率成像。

技術(shù)創(chuàng)新與應用
超越衍射極限:膨脹顯微成像的原理與優(yōu)勢
為了突破光學顯微鏡的衍射極限,實現(xiàn)對亞細胞結(jié)構(gòu)的高分辨率成像,科研人員開發(fā)了多種光學超分辨率顯微鏡(SRM)方法,如受激發(fā)射損耗(STED)顯微鏡、光活化定位顯微鏡(PALM)、結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡(SIM)和隨機光學重建顯微鏡(STORM)等。這些方法雖然能夠分辨30-100nm,但存在設備昂貴、操作復雜、多色成像困難等問題,限制了其在大多數(shù)生物醫(yī)學研究實驗室的廣泛應用。

膨脹顯微成像(ExM)通過使用可膨脹的水凝膠在整個組織中交聯(lián),誘導樣本各向同性膨脹,從而使樣本中的結(jié)構(gòu)在常規(guī)光學顯微鏡下也能實現(xiàn)超分辨率成像。目前的組織膨脹方法可以使組織實現(xiàn)高達約4.5倍、10倍甚至約20倍的各向同性膨脹,使用常規(guī)共聚焦顯微鏡就能實現(xiàn)高達約25nm分辨率的亞細胞結(jié)構(gòu)成像。膨脹顯微成像操作相對簡單,并且與多色免疫染色和熒光原位雜交(FISH)兼容,能夠為神經(jīng)病理學研究提供豐富的分子和結(jié)構(gòu)信息。

膨脹顯微成像下的神經(jīng)退行性疾病:新的發(fā)現(xiàn)與見解
膨脹顯微成像在神經(jīng)退行性疾病研究中發(fā)揮了重要作用,為我們揭示了許多以往難以觀察到的微觀變化。在研究亨廷頓病時,不同的光學SRM方法,如STORM和STED SRM,被用于研究亨廷頓蛋白聚集狀態(tài),包括在活細胞、固定細胞中和其他纖維狀物質(zhì)的形成;SIM SRM則用于研究突變的亨廷頓蛋白(mHTT)聚集體與轉(zhuǎn)錄因子的相互作用,這可能導致了基因表達的改變。

在阿爾茨海默病研究中,不同的光學SRM方法幫助研究人員在體外和細胞模型,STED SRM還用于對死后大腦切片中的免疫標記進行成像。此外,還利用拓增顯微鏡發(fā)現(xiàn)了一些與神經(jīng)退行性疾病相關(guān)的新結(jié)構(gòu)和分子機制。

成像實驗與結(jié)果分析
透明化助力疾病研究:在神經(jīng)病理學中的應用實例
組織透明化技術(shù)為神經(jīng)病理學研究帶來了新的契機,讓科研人員能夠在更大的空間尺度上評估神經(jīng)病理特征。在阿爾茨海默病研究中,研究人員利用組織透明化方法取得了許多重要發(fā)現(xiàn)。例如,Huang及其同事使用熒光染料對斑塊進行染色,結(jié)合使用熒光團標記的凝集素對血管進行標記,并對整個小鼠大腦進行透明化處理。Hama等人應用組織透明化方法,在小鼠和人類大腦的整個半腦以及1-2mm厚的切片中可視化斑塊、小膠質(zhì)細胞和大腦超微結(jié)構(gòu),通過對斑塊、神經(jīng)元和小膠質(zhì)細胞的染色,發(fā)現(xiàn)能較好地保留大腦超微結(jié)構(gòu),有助于使用顯微鏡檢測突觸后密度。此外,基于水凝膠的方法也被用于可視化人類大腦樣本中,以及在小鼠模型中觀察黑質(zhì)紋狀體軸突的碎片化和人類大腦中的路易小體病理。

構(gòu)建成像“流水線”:組織透明化與膨脹顯微鏡的協(xié)同作戰(zhàn)
基于組織透明化和膨脹顯微鏡各自的優(yōu)勢,科研人員提出了一種從電路到突觸對神經(jīng)病理和神經(jīng)退行性腦組織進行結(jié)構(gòu)和分子分析的通用流程。首先,利用組織透明化技術(shù)對整個大腦或特定腦區(qū)進行無偏成像,能夠保留完整的解剖信息,減少組織切片過程中信息的丟失,還可以實現(xiàn)對全腦的無偏自動化成像和數(shù)據(jù)分析,提高實驗的可重復性,并且顯著縮短組織處理、標記、成像和數(shù)據(jù)分析所需的時間。其次,通過超分辨率膨脹納米成像對受影響回路中特定細胞類型的亞細胞區(qū)室進行成像,進一步表征神經(jīng)病理條件下突觸和亞細胞超微結(jié)構(gòu)的改變,探究潛在的分子和細胞機制。這兩個步驟相互補充,能夠從宏觀到微觀全面地揭示神經(jīng)退行性疾病中大腦的變化。

聯(lián)合應用的潛在價值
在神經(jīng)病理學研究中,組織透明化方法可以與細胞類型特異性標記、突觸標記以及神經(jīng)元-星形膠質(zhì)細胞興奮性指標或神經(jīng)膠質(zhì)反應性指標的分析相結(jié)合,識別出受病理影響的相關(guān)大腦回路,研究不同神經(jīng)病理如何影響全腦特定細胞群體的活動,從而深入了解神經(jīng)退行性疾病中不同回路和神經(jīng)元-神經(jīng)膠質(zhì)亞型選擇性-差異性易損性的細胞機制。同時,結(jié)合自動成像和數(shù)據(jù)分析,可以評估潛在的治療策略。而膨脹顯微鏡則可以進一步深入研究細胞類型特異性的分子機制,mRN和蛋白質(zhì)定位的改變、局部突觸翻譯、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用和病理蛋白質(zhì)聚集等。

深遠意義與展望未來
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,組織透明化和膨脹顯微成像技術(shù)在未來還有很大的提升空間。在組織化學和光學方面的進步,以及開源光片顯微鏡的發(fā)展,將提高這些技術(shù)的適用性,增加可成像的生物分子范圍和分辨率。同時,計算技術(shù)的發(fā)展,包括優(yōu)化的數(shù)據(jù)分析工具、標準化的流程、數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)共享平臺,將有助于對大量的腦成像數(shù)據(jù)進行定量評估和系統(tǒng)生物學層面的解釋,推動神經(jīng)退行性疾病研究取得更多突破。雖然目前這些技術(shù)還面臨一些挑戰(zhàn),但隨著科學技術(shù)的不斷進步,我們能夠借助它們徹底揭開神經(jīng)退行性疾病的神秘面紗,為無數(shù)患者帶來新的希望。

論文信息
聲明:本文僅用作學術(shù)目的。
Parra-Damas A, Saura CA. Tissue Clearing and Expansion Methods for Imaging Brain Pathology in Neurodegeneration: From Circuits to Synapses and Beyond. Front Neurosci. 2020 Oct 5;14:914.
DOI:10.3389/fnins.2020.00914.

發(fā)布者:羅輯技術(shù)(武漢)有限公司
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