人类脑组织中的新细胞和结构

一种新的显微镜技术可以实现高分辨率成像，有朝一日可以帮助医生诊断和治疗脑肿瘤。

　　

麻省理工学院和布里格姆妇女医院/哈佛医学院的研究人员使用一种新的显微镜技术，对人类脑组织进行了比以往更详细的成像，揭示了以前不可见的细胞和结构。

在他们的发现中，研究人员发现一些“低级别”脑肿瘤含有比预期更多的推定侵袭性肿瘤细胞，这表明这些肿瘤中的一些可能比以前认为的更具侵袭性。

研究人员希望这项技术最终可以用于诊断肿瘤，产生更准确的预后，并帮助医生选择治疗方法。

“我们开始看到神经元和突触与周围大脑的相互作用对肿瘤的生长和进展有多重要。Pablo Valdes说:“很多东西是我们用传统工具无法看到的，但现在我们有了一种工具，可以在纳米尺度上观察这些组织，并试图理解这些相互作用。”Chiocca曾是麻省理工学院的博士后，现在是德克萨斯大学医学分部的神经科学助理教授，也是这项研究的主要作者。

麻省理工学院Y. Eva Tan神经技术教授Edward Boyden和生物工程、媒体艺术与科学、大脑与认知科学教授;霍华德休斯医学研究所研究员E. Antonio Chiocca是这项研究的资深作者，该研究今天发表在《科学转化医学》(Science Translational Medicine)杂志上。

使分子可见

新的成像方法基于扩展显微镜，这是Boyden实验室在2015年开发的一种技术，基于一个简单的前提:研究人员设计了一种扩展组织本身的方法，而不是使用功能强大，昂贵的显微镜来获得高分辨率图像，从而可以用常规光学显微镜以非常高的分辨率对其成像。

该技术的工作原理是将组织嵌入一种聚合物中，这种聚合物在加入水后会膨胀，然后软化并分解通常将组织结合在一起的蛋白质。然后，加水使聚合物膨胀，使所有的蛋白质相互分离。这种组织放大使研究人员能够获得分辨率约为70纳米的图像，而以前只有非常专业和昂贵的显微镜(如扫描电子显微镜)才能做到这一点。

2017年，Boyden实验室开发了一种扩大保存的人体组织标本的方法，但他们使用的化学试剂也破坏了研究人员有兴趣标记的蛋白质。在扩增前用荧光抗体标记蛋白，扩增完成后可以可视化蛋白的位置和身份。然而，通常用于这种标记的抗体在组织膨胀之前不能轻易地挤过密集的组织。

因此，在这项研究中，作者设计了一种不同的组织软化方案，可以分解组织，但保留样本中的蛋白质。组织扩张后，可以用市售的荧光抗体标记蛋白质。然后，研究人员可以进行几轮成像，每轮标记三到四种不同的蛋白质。这种对蛋白质的标记使更多的结构能够被成像，因为一旦组织扩张，抗体就可以挤进去，标记它们以前无法到达的蛋白质。

“我们打开了蛋白质之间的空间，这样我们就可以让抗体进入拥挤的空间，否则我们无法做到，”Chiocca说。“我们看到我们可以扩大组织，我们可以减少蛋白质的数量，我们可以通过多轮染色在同一组织中成像很多很多蛋白质。”

研究人员与麻省理工学院助理教授Deblina Sarkar合作，在2022年用小鼠组织展示了这种“拥挤”的一种形式。

这项新研究产生了一种用于临床病理诊断和指导治疗决策的人脑组织样本的拥挤技术。这些样本可能更难处理，因为它们通常被包裹在石蜡中，并且在组织膨胀之前需要用其他化学物质进行处理。

在这项研究中，研究人员为每个组织样本标记了多达16种不同的分子。他们的目标分子包括各种结构的标记，包括轴突和突触，以及识别细胞类型的标记，如星形胶质细胞和形成血管的细胞。他们还标记了与肿瘤侵袭性和神经变性有关的分子。

使用这种方法，研究人员分析了健康的脑组织，以及来自两种胶质瘤患者的样本-高级别胶质母细胞瘤，这是最具侵袭性的原发性脑肿瘤，预后较差，低级别胶质瘤，被认为侵袭性较低。

“我们想研究脑肿瘤，这样我们就可以在纳米水平上更好地了解它们，并通过这样做，能够在未来开发更好的治疗和诊断方法。”在这一点上，更重要的是开发一种工具来更好地理解它们，因为目前在神经肿瘤学中，人们在超分辨率成像方面做得还不多，”Valdes说。

诊断工具

为了识别他们研究的胶质瘤中的侵袭性肿瘤细胞，研究人员标记了vimentin，这是一种在高度侵袭性胶质母细胞瘤中发现的蛋白质。令他们惊讶的是，他们在低级别胶质瘤中发现了比使用任何其他方法所看到的更多表达vimentin的肿瘤细胞。

Chiocca说:“这告诉我们一些关于这些肿瘤的生物学知识，特别是，它们中的一些可能比你通过标准染色技术所怀疑的更具侵袭性。”

当胶质瘤患者接受手术时，肿瘤样本被保存并使用免疫组织化学染色进行分析，这可以揭示某些侵袭性标志物，包括本研究中分析的一些标志物。

“这些都是无法治愈的脑癌，这种类型的发现将使我们能够找出哪些癌症分子为目标，这样我们就可以设计更好的治疗方法。这也证明了像我们这样的布里格姆妇女医院的临床医生与麻省理工学院的Ed Boyden等基础科学家互动，发现可以改善患者生活的新技术的深远影响，”Chiocca说。

研究人员希望他们的扩展显微镜技术可以让医生更多地了解病人的肿瘤，帮助他们确定肿瘤的侵袭性，并指导治疗选择。Valdes现在计划对肿瘤类型进行更大规模的研究，试图建立基于该技术可以揭示的肿瘤特征的诊断指南。

他说:“我们希望这将成为一种诊断工具，可以发现标记细胞、相互作用等，这是我们以前无法做到的。这是一个实用的工具，将帮助神经肿瘤学和神经病理学的临床世界前所未有地在纳米尺度上研究神经系统疾病，因为从根本上说，它是一个非常简单的工具。”

Boyden的实验室还计划用这项技术来研究健康和患病组织中大脑功能的其他方面。

“能够进行纳米成像是很重要的，因为生物学是关于纳米尺度的东西——基因、基因产物、生物分子——它们在纳米尺度的距离上相互作用，”Boyden说。“我们可以研究各种纳米级的相互作用，包括突触变化、免疫相互作用以及癌症和衰老过程中发生的变化。”