新型組織透明化技術(shù)助力保存小鼠組織結(jié)構(gòu)

骨髓作為生物體內(nèi)負(fù)責(zé)造血的核心場(chǎng)所，其內(nèi)部復(fù)雜的細(xì)胞與血管網(wǎng)絡(luò)在生理穩(wěn)態(tài)、免疫應(yīng)答以及組織修復(fù)過程中扮演著關(guān)鍵角色。然而，由于骨髓組織深藏于堅(jiān)硬的骨皮質(zhì)內(nèi)部，且其結(jié)構(gòu)極為脆弱，傳統(tǒng)成像技術(shù)難以在不破壞樣本結(jié)構(gòu)的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)完整長(zhǎng)骨（如小鼠股骨）骨髓腔深處進(jìn)行高分辨率三維觀測(cè)。這一技術(shù)瓶頸限制了對(duì)骨髓微環(huán)境，特別是細(xì)胞間相互作用和空間分布關(guān)系的深入理解。為此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種名為MarShie（骨髓屏蔽）的新型組織透明化技術(shù)。該技術(shù)通過引入SHIELD環(huán)氧化物固定、EDTA溫和脫鈣、主動(dòng)脫脂以及Quadrol基團(tuán)的漂白步驟，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)完整小鼠股骨骨髓結(jié)構(gòu)的完美保存與高度透明化，為在單細(xì)胞乃至亞細(xì)胞水平上對(duì)骨髓進(jìn)行三維定量分析鋪平了道路。

本研究的重要發(fā)現(xiàn)由Till Fabian Mertens, Alina Tabea Liebheit, Johanna Ehl, Ralf Kohler, Asylkhan Rakhymzhan, Andrew Woehler, Lukas Katthan, Gernot Ebel, Wjatscheslaw Liublin, Ana Kasapi, Antigoni Triantafyllopoulou, Tim Julius Schulz, Raluca Aura Niesner與Anja Erika Hauser等研究人員共同完成。研究成果以題為“MarShie: a clearing protocol for 3D analysis of single cells throughout the bone marrow at subcellular resolution”的論文形式在《Nature Communications》期刊上發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01論文的核心貢獻(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)論
本論文最核心的貢獻(xiàn)是開發(fā)并驗(yàn)證了MarShie這一針對(duì)骨髓組織優(yōu)化的整體透明化技術(shù)流程。該技術(shù)成功解決了骨髓成像中的兩大核心難題：組織結(jié)構(gòu)的完整保存與深部組織的光學(xué)透明。通過結(jié)合薄層光顯微技術(shù)（LSFM），研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了在完整小鼠股骨中，對(duì)從骨內(nèi)膜到骨髓腔最深處所有區(qū)域的細(xì)胞進(jìn)行三維成像，分辨率達(dá)到了單細(xì)胞乃至亞細(xì)胞級(jí)別。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01突破的成像難題
MarShie技術(shù)突破了過去骨髓三維成像的多個(gè)關(guān)鍵瓶頸。首先，它解決了脆弱骨髓組織在透明化過程中結(jié)構(gòu)塌陷或變形的難題，首次實(shí)現(xiàn)了在完整長(zhǎng)骨中對(duì)骨髓腔全范圍結(jié)構(gòu)的無損保存。其次，它克服了骨髓深部區(qū)域由于血紅蛋白等色素造成的光吸收和散射問題，通過優(yōu)化的脫色步驟，使光能夠穿透至骨髓腔中心區(qū)域。最后，它通過創(chuàng)新的圖像預(yù)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，解決了在復(fù)雜背景下對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行自動(dòng)、精確識(shí)別和分割的挑戰(zhàn)。

總結(jié)與展望
綜上所述，MarShie技術(shù)通過其卓越的組織保存能力、深部透明化效果和高分辨率成像兼容性，成功建立了一套用于完整長(zhǎng)骨骨髓三維分析的標(biāo)準(zhǔn)化流程。該項(xiàng)工作不僅是技術(shù)上的創(chuàng)新，更通過具體的生物學(xué)應(yīng)用實(shí)例，如揭示年齡相關(guān)的血管結(jié)構(gòu)變化和損傷修復(fù)過程中的細(xì)胞動(dòng)態(tài)，證明了其強(qiáng)大的實(shí)用價(jià)值。該技術(shù)將光學(xué)工程、圖像信息學(xué)與骨髓生物學(xué)緊密結(jié)合，為在單細(xì)胞水平上無偏地、定量地研究完整器官級(jí)的細(xì)胞生態(tài)系統(tǒng)提供了強(qiáng)大工具。展望未來，MarShie技術(shù)框架有望被廣泛應(yīng)用于人類骨骼樣本分析、其他硬組織研究以及更廣泛的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，從而深化我們對(duì)骨髓在健康與疾病狀態(tài)下功能的理解，并為開發(fā)新的治療策略提供前所未有的空間洞察力。

DOI:10.1038/s41467-024-45827-6.