Nature Biotechnology（IF=46.9）：组织透明化技术新突破——小鼠全身免疫荧光标记结合组织透明化技术获得完整小鼠三维整体结构
2023-08-28 14:15:29
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从组织切片到器官、系统乃至全身三维成像，科学家始终在为绘制全身细胞类型分布、连接等信息努力，经过一个多世纪的努力，人们对人体和普通模式生物的大体解剖结构有了详细的了解，并绘制了许多单个器官的详细组织学图，在整体三维成像方面主要通过转基因和纳米抗体实现，但是仍然存在费时费力的局限。如2018年德国慕尼黑大学Ali Ertürk教授团队推出过一项名为vDISCO（nanobody(VHH)-boosted 3D imaging of solvent cleared organs)的技术，相关成果发表在<>（IF=46.9），该技术通过向小鼠体内泵入纳米抗体，利用纳米抗体可以实现全身免疫标记，且该技术可以在不破坏整体结构的基础上使小鼠整体透明。该项技术已经令人震撼，但仍然存在限制。最近，Ali Ertürk教授团队再次取得突破，在《自然-生物技术》期刊上发表了一篇具有革命性意义的文章，开发了一种新的全身免疫标记三维成像技术—wildDISCO。
与vDISCO技术相比，wildDISCO技术优势十分明显，vDISCO技术中使用的纳米抗体存在一些问题，包括灌注过程中的降解或沉淀，无法持续穿透各种组织层(包括肌肉和骨骼)，以及膜透性不足，无法深入到具有不同性质的所有组织，限制了该技术的可广泛使用性和操作性，而wildDISCO技术依赖于胆固醇提取的渗透，以确保常规IgG抗体可以在小鼠整体均匀渗透和染色整个小鼠的组织，包括肌肉，骨骼，大脑和脊髓，将全身抗体标记与基于DISCO的组织透明化方法相结合。wildDISCO相较于造价昂贵且耗时的转基因技术或纳米抗体技术已经实现了质的突破，在现有方法的基础上再上一个台阶，打破了全身成像的困境，能够前所未有的轻松的提供细胞类型和蛋白质分布的全身图谱，并有助于加深人们对生物系统的理解。研究人员比较了wildDISCO和其他已建立的方法(vDISCO、iDISCO、uDISCO和PEGASOS)在使用标准IgG抗体对整个小鼠进行染色的有效性，相比之下，wildDISCO能够使抗体均匀且深入地完全渗透到小鼠的整个内脏器官，如后肢、脊髓、前肢、肾脏和肝脏(图e-g)。
图1 wildDISCO与vDISCO、iDISCO、uDISCO和PEGASOS方法抗体渗透性比较随后Ali Ertürk教授团队对小鼠全身的外周神经系统进行成像。通过下图可以发现全身不同组织被均匀染色且组织的信号强度是一致的，为了解神经传递在正常生理和病理中的做用提供重要线索。此外该方法还可以绘制小鼠全身淋巴细胞图谱，并发现脑膜淋巴管可以进入脑实质，还有一些淋巴管可以连接嗅球和皮层。
wildDISCO还有另外一个优势就是可以同时兼容两种以上的荧光标记。Ali Ertürk教授团队通过对神经系统和免疫系统双重免疫标记，发现肠系膜的神经丛存在大量免疫细胞共定位，揭示了这些系统在全身的复杂相互作用。
最后，研究人员进行了两项临床问题探究。第一个就是微生物对小鼠神经发育的影响，利用wildDISCO比较了4周龄和3月龄无菌小鼠和野生小鼠肠壁神经结构差异，研究发现4周龄无菌小鼠肠壁比野生小鼠密度大大降低。3月龄无菌小鼠轴突退化比4周龄更明显，神经网络密度更低。说明微生物对小鼠神经发育至关重要。
第二个问题是三级淋巴结构（TLS）与癌症转移之间的关系。在肿瘤发展过程中，TLS 可促进免疫细胞向肿瘤部位渗透。为了观察TLS在肿瘤体内转移的行为，研究人员设计了乳腺癌小鼠，分析了TLS在全身的大小和分布与癌症转移的关系。该系统可以量化全身的TLS数据，比如体积和相对位置，这些数据有利于科研人员研究肿瘤小鼠模型中TLS与转移灶之间的特征及相互作用等很多细节，或许有助于免疫治疗取得新突破。
综上所述，wildDISCO是一种全身IgG抗体免疫标记方法，使研究人员能够获得完整的小鼠全身细胞和结构图。借助虚拟现实(VR)可视化，以前无法获得的3D解剖信息成为可能。通过促进现成IgG抗体的使用，wildDISCO扩大了全身清除和成像技术的适用性。对整个小鼠身体图谱的展示将使我们对复杂的生物系统有更深入的了解。从这项技术中获得的见解有可能提高我们对整个生物体水平上疾病发生、进展和程度的认识，最终有助于开发更有效的诊断和治疗策略。佳维斯生物团队目前也开发了针对完整小鼠、灵长类动物组织器官及临床标本等大组织样本整体标记和透明技术，该技术可以成功获得完整小鼠全身神经及血管空间整体分布、狨猴各组织器官血管三维整体网络结构、人的肝&肾等局部组织肿瘤三维病理结构等。作为国内组织透明化技术头部企业，佳维斯生物秉承“创新不止，追求卓越”的发展理念，孜孜不倦地持续开发更先进的组织器官整体标记-透明体系，通过不断的技术迭代去解决各类复杂组织透明化技术难题，进而拓宽组织透明化三维成像技术应用范围，助力国家生物医药研究和发展！