2 月 28 日訊,還記得讓大家驚嘆不已的“看清全身所有癌癥轉(zhuǎn)移灶”嗎,?搞出這種震撼畫面的德國組織工程和再生醫(yī)學(xué)研究所研究團(tuán)隊(duì),,時(shí)隔兩個(gè)多月又放出了大招。
近年來生物學(xué)家已經(jīng)獲得了小鼠某些器官的完整細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖,可是使用的方法不適用于人體器官,。因?yàn)槿祟惼鞴俦刃∈笃鞴偕L的年限長得多,,里面的膠原成分已經(jīng)長了幾年甚至幾十年,用于讓小鼠器官透明的藥劑不足以讓人類器官變得透明,。
這項(xiàng)由德國亥姆霍茲研究中心協(xié)會(huì)(Helmholtz Association of German Research Centres)組織的研究,,經(jīng)過多次嘗試,終于找到一種名為 CHAPS 的藥劑,,先在人類器官上打出很多洞,,再用另一種藥液注入器官內(nèi)部,把器官變成透明的結(jié)構(gòu),。這份研究使用的是死者的器官,。
之后,研究組還發(fā)明了一種能容納整個(gè)器官進(jìn)行掃描的激光掃描顯微鏡,,能掃描大如人體腎臟的器官,。接下來,使用合作方德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)(Technical University of Munich)提供的一套人工深度學(xué)習(xí)算法,,分析數(shù)億張三維細(xì)胞圖片,。
研究人員表示,這項(xiàng)技術(shù)很快將發(fā)展成掃描人體完整器官的主流技術(shù),,將顯著提升研究人員對大腦這樣器官的功能性健康和疾病的認(rèn)知,。
人體器官細(xì)胞圖還是將來三維生物打印的重要基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),,慕尼黑路德維?!ゑR克西米利安大學(xué)(Ludwig Maximilian University,LMU)的埃爾圖克(Ali Ertürk)和同事正在從胰腺,、心臟和腎臟這些人體的主要器官著手制圖,。
“幾十萬人都面臨器官短缺的問題,”埃爾圖克說,,“等待時(shí)間和移植成本是大問題,。人體器官細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖為我們實(shí)現(xiàn)按需制造器官的目標(biāo)邁進(jìn)了重要的一步?!?/p>
在最新一期的《細(xì)胞》上,,Ali Ertürk 教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文,介紹了一種名為 SHANEL 的全新技術(shù),,這種技術(shù)讓人類第一次在細(xì)胞層面,,對人體各種器官實(shí)現(xiàn)了快速、完整的組織透明化,!
這意味著什么呢,?小到組織切片,,大到完整的人體器官,都能在這種技術(shù)下變得完全透明化,,科學(xué)家們能夠?qū)⑵鞴僦械拿恳粋€(gè)細(xì)微之處,,都在 3D 圖像上精確到細(xì)胞水平,而且速度也比過去大幅提升了,!
SHANEL 技術(shù)的誕生,,能夠加速人類對人體器官的了解,甚至有望為傳說中的 3D 打印人體器官鋪路,!
是不是很科幻,,很酷炫呢?下面奇點(diǎn)糕就來說說這項(xiàng)技術(shù)的原理吧,。
想要毫無阻礙地從細(xì)胞層面觀察人體器官,,需要解決很多問題。有人可能會(huì)問,,不是可以做組織切片,,在顯微鏡下去看嗎?那是不知道組織透明化(Tissue Clearing)有多費(fèi)事,。
過去想要讓厚度超過 1 毫米的切片透明,,都相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力,直到近幾年,,才有一些新技術(shù)突破了厚度的瓶頸,,但制備好一片厚度 8 毫米的人腦切片,就得需要 10 個(gè)月的時(shí)間[2],。
問題的關(guān)鍵是什么呢,?是人體器官周圍堆積的不可溶性膠原蛋白,、脂褐素等物質(zhì),,遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于小鼠之類的動(dòng)物,這嚴(yán)重阻礙了化學(xué)染料的穿透,。連讓器官透明化都難,,就更別說實(shí)現(xiàn)分子標(biāo)記、輔助成像了,。
用本次論文第一作者 Zhao Shan 的話說,,“我們必須徹底改變方法,從零開始尋找讓人體器官透明的化學(xué)物質(zhì)”,。研究團(tuán)隊(duì)找到了一種簡稱 CHAPS 的組織清洗劑,,它可以聚集成小膠束,快速穿透和清除器官周圍致密的屏障,。
SHANEL 的全稱——小膠束介導(dǎo)的人體器官透明化和標(biāo)記(small-micelle-mediated human organ efficient clearing and labeling),,就是來自 CHAPS 形成的這個(gè)小膠束,。
在豬腦等器官的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了初步的效果后,接下來研究人員用人的大腦進(jìn)行了 CHAPS 清洗劑的最終測試,。
花費(fèi) 4 個(gè)月的時(shí)間和約 3200 歐元的費(fèi)用后,,大腦第一次“見了光”,清晰,、透光,,3D 圖像的重建也變成了現(xiàn)實(shí)。
不過有了新技術(shù),,還要解決一系列的新問題,,比如小分子熒光染色和抗體標(biāo)記手段,過去用在毫米級組織切片上的東西,,放到厚度厘米級的完整器官上,,就得與時(shí)俱進(jìn),研究團(tuán)隊(duì)都做了相應(yīng)的改進(jìn),。
解決了標(biāo)記和染色,,接下來就是顯微鏡的問題,總不能把一整個(gè)大腦搬到現(xiàn)有的顯微鏡下觀察吧,?就算切成厘米級的切片,,也超越了普通顯微鏡的能力。
研究團(tuán)隊(duì)找出了一種名叫原型光片顯微鏡(Prototype light-sheet microscope)的大家伙,,它的容積可以直接放置經(jīng)過 CHAPS 處理后的甲狀腺,、腎臟等整個(gè)器官。
最后為了分析和處理 SHANEL 技術(shù)帶來的龐大信息量,,研究團(tuán)隊(duì)借助了深度學(xué)習(xí)算法,,實(shí)現(xiàn)了在幾小時(shí)內(nèi),完成對每部分腦切片(約 1.5 厘米厚)中,,1000-2200 萬個(gè)腦細(xì)胞的分類和圖像繪制,。
費(fèi)了這么多功夫,SHANEL 技術(shù)當(dāng)然也要派上大用場,。研究團(tuán)隊(duì)在論文中舉了一個(gè)例子,,像是 2 型糖尿病當(dāng)中,胰島在細(xì)胞層面發(fā)生的微觀改變,,靠現(xiàn)有的手段還很難整體分析,,但是 SHANEL 技術(shù)就可以完整繪圖,清晰判斷,。
目前研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始把這項(xiàng)技術(shù),,用于胰臟、心臟,、腎臟等較大器官的 3D 圖譜繪制,,Ali Ertürk 教授認(rèn)為,,只有在細(xì)胞層面把這些器官徹底了解,才能解決人工制造器官的問題,,從而為 3D 生物打印器官用于器官移植鋪路[3],。