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保護生物組織新方法繪製神經元連接圖

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2018/12/26
麻省理工學院的研究人員使用他們的新組織保存技術,來標記和成像大腦區域中的神經元,稱為蒼白球(globus pallidus externa)。表達稱為parvalbumin蛋白質的神經元標記為紅色,標記為藍色的神經元表達稱為GAD1的蛋白質。 圖片來源:Young-Gyun Park、Changho Sohn、Ritchie Chen、Kwanghun Chung

麻省理工學院的化學工程師和神經科學家,設計了一種保護生物組織的新方法,使他們能夠可視化細胞內的蛋白質、DNA和其他分子,並繪製神經元之間的連接圖。

研究人員表明,他們可以使用這種稱為SHIELD的方法,來追踪大腦中有助於控制整個大腦運動和其他神經元之間的聯繫。

「使用這項技術,我們第一次能夠以單細胞分辨率繪製這些神經元的連通性,」化學工程助理教授兼麻省理工學院醫學工程,與科學研究所成員Kwanghun Chung說。「我們可以透過完全整合的方式從同一組織獲得所有這些多尺度、多維度的資訊,因為透過SHIELD,我們可以保護這所有的資訊。」

Chung是該論文的高級作者,該論文發表在1217日出版的Nature Biotechnology。主要作者是麻省理工學院博士後Young-Gyun ParkChang Ho SohnRitchie Chen

Chung現在正領導一個研究小組,使用這種技術生成整個人腦的3D圖。研究小組最近獲得了美國國立衛生研究院的資助,

保存信息
腦組織非常脆弱,除非採取措施保護組織免受損傷,否則不易研究。Chung和其他研究人員之前已經開發出一些技術,可以保留腦組織的某些分子成分用於研究,包括蛋白質或信使RNA,揭示哪些基因被打開。

然而,Chung說,「沒有好的方法可以保存一切。」

Chung和他的同事假設,他們可能能夠使用稱為聚環氧化物的分子更好地保存組織 - 聚環氧化物 - 通常用於生產膠水的活性有機分子。他們測試了幾種市售的聚環氧化物,並發現了一種具有獨特結構特徵的聚環氧化物,非常適合其用途。

他們選擇的環氧化物具有靈活的主鍊和五個分支,每個分支可以結合某些氨基酸以及其他分子,例如DNARNA。柔性主鏈允許環氧化物與靶分子上的幾個點結合,並與附近的生物分子形成交聯。這使得單個生物分子和整個組織結構非常穩定,並且抵抗來自熱、酸或其他有害物質的損害。SHIELD還保護生物分子的關鍵特性,例如蛋白質螢光和抗原性。

為了保護大規模的腦組織和臨床樣本,研究人員將SHIELDSWITCH結合起來,SWITCH是他們開發的另一種控制化學反應速度的技術。他們首先使用SWITCH-OFF緩衝液,它可以阻止化學反應,使環氧化物有時間擴散通過整個組織。當研究人員將樣品移至SWITCH-ON狀態時,環氧化物開始與附近的分子結合。

為了加快SHIELD保護組織的清除和標記過程,研究人員還應用了一個隨機變化的電場,他們之前已經證明了這一點可以提高分子的傳輸速率。他們表明,從保存到活檢組織標記的整個過程,可以在短短四個小時內完成。

「我們發現這種SHIELD塗層可以保持蛋白質對抗嚴酷的壓力因素,」Chung說。「因為可以保留我們想要的所有信息,並且可以在多個階段提取它,更好地理解生物組件的功能,包括神經迴路。」

一旦組織被保存,研究人員就可以標記各種不同的目標,包括細胞產生的蛋白質和mRNA。他們還可以應用Chung2016年開發的MAP等技術,來擴展組織並對其進行不同尺寸的成像。

研究人員與加州大學聖地亞哥分校的Byungkook Lim小組合作,利用SHIELD繪製一個大腦迴路,該大腦迴路始於蒼白球(GPe),是大腦基底神經節的一部分。該區域涉及運動控制和其他行為,是深部腦刺激 (一種有時用於治療帕金森氏症的電刺激) 的目標之一。在小鼠腦中,Chung和他的同事們能夠追踪GPe神經元,和大腦其他部分之間的聯繫,並計算這些神經元之間推定的突觸連接數量。

更好的活檢
Chung說,SHIELD組織處理的速度,意味著它還有望對患者組織樣本進行快速且更豐富的活檢。目前的方法需要用石蠟包埋組織樣本、切片,然後染色。

「目前的組織診斷方法在幾十年內沒有改變,這個過程需要數天或數週,」Chung說。「利用我們的技術,可以快速處理完整的活檢樣本,並使用真正特異的臨床相關抗體對其進行免疫標記,然後以高分辨率對3D進行整體成像。一切都可以在四個小時內完成。」

在文章中,研究人員表明他們可以用針對增殖癌細胞的抗體,標記小鼠腎腫瘤。

史丹福大學生物學教授Liqun Luo說:「在光學顯微鏡實驗中,組織樣本中生物信息的穩定和保存是必不可少的。SHIELD的成就不僅在一個類別中取得了很大的進步,而且在保存蛋白質、轉錄物和組織結構方面取得了顯著的進步,因為樣品是透過當今最好的標記,和嚴刻成像協議規定的技術處理的。」Luo沒有參與研究。

麻省理工學院的團隊希望將這項技術廣泛應用,並已將其分發給全球50多個實驗室。