哥大闵玮团队开发出结合组织透明化的受激拉曼散射显微技术

  • 时间:
  • 浏览:0
  • 来源:极速赛车网投平台-江苏快3投注平台_排列3娱乐平台

生物组织本质上是三维的,生物组织的三维成像有益于理解其生理功能及其病理变化。近日,美国哥伦比亚大学的闵玮教授及其团队近期在PNAS杂志上发表题为Volumetric chemical imaging by clearing-enhanced stimulated Raman scattering microscopy的文章,开发了一种结合组织透明化技术和受激拉曼散射显微镜的三维化学成像技术,实现了超过10倍的成像深度1提升。

光学显微镜(包括荧光显微镜和拉曼显微镜)是生物成像的重要方法 ,具有非侵入性、高分辨率和高特异性等诸多优点。否则,光学成像技术将会生物组织内折射率的不均匀性,通常没有对组织皮层数百微米的范围进行成像。近年来组织透明化技术发展提高了组织成像的深度1,使全部器官乃至全部生物体的成像成为将会。然而几乎所有什么透明化方法 都在基于荧光显微镜开发的,而对于具有特异化学选折 性的拉曼散射显微镜,其成像深度1被限制在数百微米量级。将会成像深度1能增加到毫米量级,拉曼散射成像将提供生物组织内更全部的三维化学信息。

闵玮教授团队为了开发适用于拉曼成像的组织透明化技术,提出了另4个评价组织透明化方法 的标准。第另4个标准是“拉曼透明”:指用于组织透明化的试剂一种我不要 引入干扰成像的拉曼信号。第八个标准是“底部形态维持”: 指组织原有的底部形态在经过透明化刚刚保持不变。研究人员发现这另4个标准实际上是非常具有挑战性,将会常用的组织透明化试剂——二苄醚、山梨糖醇和果糖——在碳氢拉伸区(210000-10000 cm-1)内具有很强的拉曼信号,否则或多或少组织透明化方法 都通过去除组织中的脂质来减少折射率的不均匀性,破坏了组织内脂质的底部形态。根据这另4个标准,研究人员找到了另4个用于组织透明化的分子——尿素。尿素是组织透明化技术Scale和ScaleS的核心成分。在“拉曼透明”上,尿素在110000 cm-1到 10000 cm-1的 光谱范围内都没有 拉曼信号,这得益于尿素分子没有N-H键而没有 C-H键(图1)。在组织底部形态维持上,组织经过透明化后其在碳氢拉伸区的拉曼峰形几乎没有 变化,表明组织里的蛋白和脂质都保存完好(图1)。生物组织浸泡在8 M尿素溶液中会变得透明。这是将会尿素分子进入高折射率蛋白的疏水内核,使其要素变性、水合。小鼠大脑切片经过透明化后,受激拉曼散射成像的深度1在不同脑区提高了5-10倍(图1)。研究人员发现在8 M尿素溶液中加入0.2% Triton X-1000会进一步提高成像深度1,否则這個 透明化试剂也满足“拉曼透明”和组织底部形态维持这另4个标准(图1)。研究人员测定组织透明度在浸泡的第4天 进入平台期,使成像深度1在大脑皮层增加了17.2倍,在白质增加了13.2倍,在海马体增加了11.4倍(图1)。

图1. 开发三维化学成像:结合组织透明化的受激拉曼散射显微技术

此外,研究人员开发了多光谱受激拉曼散射成像的三维相量分析法,实现了三维组织底部形态的化学聚类和分割(图2)。研究人员将三维化学成像和分析用于神经生物学和癌症生物学的研究。首先,研究人员发现肿瘤球体皮层的脂质合成会增加,表明在肿瘤侵入正常组织的边界处于着快速的细胞分裂和增殖。第二,研究人员定量测定了多个脑区中血管、轴突和细胞体的分布(图3)。第三,研究人员划定了肿瘤边界,揭示了恶性胶质细胞瘤的繁杂三维底部形态(图4)。第四,研究人员发现和肿瘤主体中的细胞相比,浸润性肿瘤细胞有高的脂质蛋白比,高波形纤维蛋白表达和高脂质合成传输速率。第五,研究人员发现相比于正常细胞,肿瘤细胞和血管之间有织密密的连结,否则,和正常组织中的血管相比,肿瘤中的血管有更高的代谢活性和更多的蛋白和脂质含量(图5)。

图2. 三维相量分析法

图3. 小鼠大脑的三维化学成像

图4. 恶性胶质细胞瘤的三维化学成像

图5. 三维化学成像揭示恶性胶质细胞瘤的代谢活性

与三维荧光成像技术相比,这项三维化学成像技术具有或多或少独特的优势。第一,受激拉曼散射成像能没有提供样品组成的综合化学信息,识别和区分脂质、蛋白、DNA、糖、磷酸等化学物质。什么物质的分布、种类和构象对其生物功能至关重要。第二,受激拉曼散射成像能没有实现无标记成像,免于荧光标记在深度1组织中扩散缓慢的困难。第三,生物正交化学成像能没有实现对生物分子在组织和化物体内代谢的动态成像。

今后这项技术能没有在以下几方面做进一步改进。在透明化技术方面,可通过筛选更多的化学分子进一步增加组织透明度。在仪器方面,这项技术能没有结合多通道同步成像技术,实现高通量三维化学成像。在应用方面,可根据特定的成像目的调整适用于拉曼的组织透明化技术。比如,通过结合受激拉曼散射成像和基于水凝胶的组织透明化技术,有将会实现对蛋白质的分布和二级底部形态的同步成像。总之,结合组织透明化的受激拉曼散射显微技术将被广泛应用于研究组织的三维底部形态、组成和功能。

据悉,哥伦比亚大学博士生魏冕和博士后石玲燕(将赴加州大学圣地亚哥分校任助理教授)为文章的一起第一作者,闵玮教授和魏璐教授为文章的一起通讯作者,博士后沈熠晖、博士生赵之仑、博士后Asja Guzman、Laura J. Kaufman教授对此项研究都在重要贡献。

猜你喜欢

中科院半导体研究所研制出低功耗高性能Delta

11月13日消息,中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室高速图像传感及信息除理课题组研究员刘力源等研制出一款低功耗、高性能Delta-Sigma调制器。相关研究成果以ADi

2019-12-05

特斯拉Model 3赛道模式推出,外媒:快过法拉利458

IT之家11月11日消息 此前特斯拉为Model3双电机版推出了另1个“狂暴”的Track Mode赛道模式。特斯拉日前在官博上介绍了它的工作措施 ,并晒出了一段Model3

2019-12-05

瞄准无线耳机智能手表市场:亚马逊向所有蓝牙厂商开放Alexa

北京时间11月21日消息,亚马逊今天表示,未来将瞄准无线耳机和智能手表市场,向所有蓝牙设备制造商开放其Alexa语音助手。亚马逊在一篇博客文章中称,将向所有蓝牙设备厂商开放其A

2019-12-05

马斯克:今年底特斯拉汽车就可以实现完全无人驾驶

北京时间2月20日消息,特斯拉CEO埃隆·马斯克(ElonMusk)预计,今年底该公司将具备使汽车实现无人驾驶所还可不都可以的技术。▲马斯克称明年底用户还可不都可以安心地在汽车

2019-12-05

丰田将于明年推出固态电池汽车,预计2025年投入量产

丰田在很大程度上老是 对电动汽车保持沉默,而专注于混合动力普锐斯(Prius)系列和氢燃料电池技术。未来十年,很多状况将改变,这家汽车制造商将在明年大放异彩。丰田汽车首席技术

2019-12-05