组织透明技术总结帖(1)——透明技术简介

做这个贴子是因为最近的科研工作和组织透明相关,但网上并没有组织透明的相关中文讨论或是教程。那索性在疫情这段时间里整理一下文献,供同行参考和交流。我一贯的理念是科学的进步来源于信息的流通和共享,而非垄断和独占。欢迎在评论区留言~

组织透明技术(tissue-cleaning method)是一种旨在让大型生物样品透明的技术。

首先有两个问题需要说明,怎么样算是大型?为什么生物组织是不透明的?

第一个问题里的大型是针对以往的切片技术来说的。往常在做生物学研究时,因为生物体是不透明的,想要观察生物体内部的组织结构和生物大分子就要对相应组织进行切片,但是对于较大的组织或者器官,想要根据切片来构建三维视图是非常困难的,因为一个切片厚度往往只有十微米左右,对于几厘米或者更大的组织,切成薄片然后拼接,这样的工作费力而且费时。以神经科学的研究为例,如果要绘制大脑神经网络(如连接组计划),就要对大脑进行1000000张切片,这个工程量是巨大的。改进的绘制图谱的方法是用免疫组化和神经影像学(如MRI、DWI)结合,但也需要数千张的切片数量和费力的数据分析。而新兴的组织透明技术则可以用一系列化学步骤让组织和器官甚至是整个生物体透明,从而快速构建组织学的三维图像。

那么第二个问题,为什么组织学是不透明的呢?这主要有三个原因。第一个原因叫做限制性吸收(limiting absorption),生物体的大部分组织是有颜色的,比如黑色素、血红素、肌红素等,这些色素会吸收光从而影响光进入组织和返回检测器。第二个原因是自发性荧光,有一些生物组织会带有荧光素,这些荧光素可能是生物体内源性的,如NADPH、胶原蛋白、黄素、酪氨酸等,也可能是组织处理的过程中引入的,这些荧光素的时候在观察到时候发光,就会降低图像的信噪比,影响图像的质量。这些都不是最重要的原因,关键的问题,也是透明技术主要解决的问题,是光的散射。为什么有些物质(比如玻璃、水)显得透明,而大部分生物组织不透明呢?因为光在通过如玻璃的均质物质时,光与原子作用后向各个方向散射,形成了球面波,而在垂直与光传播方向的平面上,波与波之间发生了相消干涉(波峰与波谷相遇),而在光传播的方向发生了相长干涉(波峰与波峰,波谷与波谷相遇),因此能量聚集在传播方向上,光得以传播。但是,在折射率不同的情况下,比如在细胞中,脂质(细胞膜)引发的散射和水分子(细胞液) 引发的散射并无法发生相消干涉,因此就会有能量的损失。如果组织足够厚,大部分的入射光会向不同方向散射,可以把它看作组织内有多个小发光源,因此许多组织看上去的颜色都是乳白色的。

因此,透明技术的目的,就是通过去除、替换或者改变样品内的成分,使得样品的折射率(Refractive Index)均匀,从而使样品透明。

根据以上的原理,就可以产生几种透明组织的思路。第一种是用疏水的溶剂将组织脱水,再用高折射率(和蛋白质相仿)的溶剂脱脂,从而使折射率的均匀。第二种是用高折射率的溶剂去平衡组织的折射率。第三种是去除脂质,用亲水的溶剂与组织水合,降低整体的折射率。最后以一种是将蛋白质固定后,用两亲的洗涤剂去除脂质,然后用高折射率的溶剂透明组织。 

透明技术原理示意图

进一步阅读:

组织透明技术原理

组织透明技术入门

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *