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水凝膠材料，問鼎生物頂刊《Cell》!

2021-08-24 14:22:53 作者：DT新材料來源：DT新材料分享至：

多尺度的細(xì)胞生物學(xué)信息探測

哺乳動物的器官包含了大量具有特異功能的細(xì)胞，這些細(xì)胞之間彼此高度聯(lián)系。若想全面了解器官功能，就需要在多個尺度層面（從生物大分子成分的納觀組織到器官尺度的細(xì)胞聯(lián)系）對細(xì)胞進(jìn)行研究。利用成像技術(shù)、單細(xì)胞測序等方法，研究人員已經(jīng)可以提取許多關(guān)于細(xì)胞特征的信息，從而探索新型細(xì)胞及其功能。然而，想要在空間背景下研究生物學(xué)系統(tǒng)的非凡復(fù)雜性依然需要發(fā)展更加先進(jìn)的技術(shù)和方法。

光子成像技術(shù)探測細(xì)胞pH值（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

作為金標(biāo)準(zhǔn)的組織學(xué)方法已然無法滿足未來研究需求

經(jīng)典的組織學(xué)方法在探測生物學(xué)組織方面已是金標(biāo)準(zhǔn)一樣的存在。目前，在組織學(xué)方法中已經(jīng)發(fā)展出了許多化學(xué)、機械加工方法來保存組織并提取其結(jié)構(gòu)和分子信息。最常用的組織加工方法就是醛基化學(xué)固定和機械性的組織切片。醛基固定可以盡可能地抑制組織降解、硬化組織構(gòu)造并使導(dǎo)致生物大分子降解的蛋白質(zhì)活性降低。隨后，固定的組織被機械切割形成切片并使細(xì)胞暴露在分子探針中，以實現(xiàn)標(biāo)記和成像。然而，這類加工方法不僅費時費力，加工過程還會導(dǎo)致許多重要信息如神經(jīng)連接等丟失。因此，亟需發(fā)展大尺度完整組織加工技術(shù)來盡可能保留生物學(xué)信息。

動物大腦皮層切片利用免疫熒光原理進(jìn)行成像（圖片來源：ScienceDirect）

取代組織學(xué)方法？組織轉(zhuǎn)化技術(shù)成為研究新熱點

在近十年里，下一代組織透明化（optical tissue clearing）方法和水凝膠基組織轉(zhuǎn)化（hydrogel-based tissue transformation）技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成為新興的生物學(xué)系統(tǒng)探測平臺。這類平臺可以設(shè)計構(gòu)建組織的物化性質(zhì)（如光學(xué)透明度、分子滲透性、組織尺寸等），同時也能保留細(xì)胞和分子的空間背景信息。結(jié)合化學(xué)/光學(xué)工具，這類平臺在無需切片加工的條件下即可獲得完整組織的3D信息。在組織透明化方法中，具有體積的組織內(nèi)存在著高含量的脂質(zhì)，會組織探針和光的滲透，從而影響探測效果。而對于組織轉(zhuǎn)化技術(shù)來說，它能通過水凝膠-組織融合手段在保證完整組織內(nèi)細(xì)胞、分子空間背景的同時，徹底清除脂質(zhì)、保證探測效果。近期，麻省理工學(xué)院的Kwanghun Chung等人撰寫了最新綜述文章，討論了組織轉(zhuǎn)化和標(biāo)記技術(shù)的基本工程原理及其廣泛的應(yīng)用、當(dāng)前的挑戰(zhàn)和未來的潛力。相關(guān)綜述文章以“Basic principles of hydrogel-based tissue transformation technologies and their applications”為題發(fā)表在Cell。

【文章要點】

一、水凝膠基組織轉(zhuǎn)化技術(shù)及其特性

水凝膠組織轉(zhuǎn)化方法通過改變組織-凝膠雜化體的物化性質(zhì)來高效保留和提取多尺度的生物學(xué)信息。為了有效控制組織-凝膠性質(zhì)，了解這些技術(shù)背后的基本物理化學(xué)原理是關(guān)鍵。在組織轉(zhuǎn)化中，主要存在著兩種水凝膠技術(shù)：一是生物大分子間固定法，即創(chuàng)造交聯(lián)生物大分子的內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；二是人工水凝膠法，即創(chuàng)造集成了生物大分子的外源性水凝膠網(wǎng)狀支架。

圖1 常見的組織-水凝膠技術(shù)概覽

二、水凝膠基組織轉(zhuǎn)化技術(shù)的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)

水凝膠的性質(zhì)對于最大化地獲取生物學(xué)信息來說至關(guān)重要。在優(yōu)化組織-凝膠雜化體時，首先需要考慮水凝膠在該組織轉(zhuǎn)化中需要具備的四種基本性質(zhì)：探針兼容性、生物分子穩(wěn)定性、力學(xué)韌性、滲透性/透明度。

為了及時調(diào)整上述的四種水凝膠基本性質(zhì)以適應(yīng)研究需求，還需要從五個參數(shù)層面來進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。一是固定強度（可從固定時間、化學(xué)固定物濃度、溫度等方面進(jìn)行調(diào)整），二是脫脂/消化度（可從改變化學(xué)試劑、處理時間等方面進(jìn)行調(diào)整），三是單體濃度（影響人工水凝膠性質(zhì)），四是交聯(lián)劑濃度，五是引發(fā)劑濃度。

圖2 組織-凝膠性質(zhì)的優(yōu)化

三、將水凝膠基方法擴(kuò)展到體積樣品的挑戰(zhàn)

在水凝膠基組織轉(zhuǎn)化技術(shù)中，水凝膠網(wǎng)格扮演了重要的角色，其可以在脂質(zhì)（脫脂）去除過程中保證生物分子保留在生理位置。內(nèi)源性的脂質(zhì)層起到了物理和光學(xué)屏障的作用，能夠阻止分子探針和光子的胞內(nèi)遞送行為。因此，脫脂程度極大地影響了生物組織的分子滲透性和光學(xué)透明度。也就是說，如何增加有效擴(kuò)散、減少組織的特征長度是優(yōu)化探測效果的關(guān)鍵，也是目前該領(lǐng)域存在的主要挑戰(zhàn)。

圖3 組織透明化和分子遞送的基本原理

四、組織轉(zhuǎn)化技術(shù)的應(yīng)用

組織轉(zhuǎn)基技術(shù)為研究多尺度下的多樣化組學(xué)信息提供了難得的機會。例如在轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究中，組織轉(zhuǎn)化技術(shù)可以在天然組織環(huán)境中以單細(xì)胞分辨率繪制單個 RNA 分子。而在蛋白質(zhì)組學(xué)成像技術(shù)中，新技術(shù)的發(fā)展可以允許從組織切片中提取蛋白質(zhì)組學(xué)的細(xì)節(jié)信息。最后，在連接組學(xué)（Connectome）中，組織轉(zhuǎn)化技術(shù)可以在突觸水平的分辨率上繪制局部神經(jīng)線路，無需標(biāo)記單個神經(jīng)元即可對神經(jīng)軸突和突觸連接進(jìn)行追蹤。

圖4 空間蛋白質(zhì)組學(xué)和連接組學(xué)分析

結(jié)論：在近十年的時間里，組織轉(zhuǎn)化技術(shù)領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步。這些技術(shù)進(jìn)步還與顯微技術(shù)的發(fā)展相結(jié)合，可以對體積樣本進(jìn)行快速和高分辨率的成像。然而，要最大限度地在研究領(lǐng)域發(fā)揮這些技術(shù)，目前還有很長的路需要走。為了實現(xiàn)這一目的，從組織轉(zhuǎn)化、標(biāo)記和成像到自動圖像分析，每一步的持續(xù)改進(jìn)將是必不可少的。不僅如此，建立可應(yīng)用于不同技術(shù)平臺的嚴(yán)格驗證標(biāo)準(zhǔn)將會使基礎(chǔ)研究獲益良多。不管怎樣，組織轉(zhuǎn)化技術(shù)及其協(xié)同方法的不斷完善和進(jìn)步終將推動整體系統(tǒng)水平的生物學(xué)研究。

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