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水凝膠材料，問鼎生物頂刊《Cell》!

2021-08-24 14:22:53 作者：DT新材料來源：DT新材料分享至：

多尺度的細胞生物學信息探測

哺乳動物的器官包含了大量具有特異功能的細胞，這些細胞之間彼此高度聯系。若想全面了解器官功能，就需要在多個尺度層面（從生物大分子成分的納觀組織到器官尺度的細胞聯系）對細胞進行研究。利用成像技術、單細胞測序等方法，研究人員已經可以提取許多關于細胞特征的信息，從而探索新型細胞及其功能。然而，想要在空間背景下研究生物學系統的非凡復雜性依然需要發展更加先進的技術和方法。

光子成像技術探測細胞pH值（圖片來源：網絡）

作為金標準的組織學方法已然無法滿足未來研究需求

經典的組織學方法在探測生物學組織方面已是金標準一樣的存在。目前，在組織學方法中已經發展出了許多化學、機械加工方法來保存組織并提取其結構和分子信息。最常用的組織加工方法就是醛基化學固定和機械性的組織切片。醛基固定可以盡可能地抑制組織降解、硬化組織構造并使導致生物大分子降解的蛋白質活性降低。隨后，固定的組織被機械切割形成切片并使細胞暴露在分子探針中，以實現標記和成像。然而，這類加工方法不僅費時費力，加工過程還會導致許多重要信息如神經連接等丟失。因此，亟需發展大尺度完整組織加工技術來盡可能保留生物學信息。

動物大腦皮層切片利用免疫熒光原理進行成像（圖片來源：ScienceDirect）

取代組織學方法？組織轉化技術成為研究新熱點

在近十年里，下一代組織透明化（optical tissue clearing）方法和水凝膠基組織轉化（hydrogel-based tissue transformation）技術已經逐漸發展成為新興的生物學系統探測平臺。這類平臺可以設計構建組織的物化性質（如光學透明度、分子滲透性、組織尺寸等），同時也能保留細胞和分子的空間背景信息。結合化學/光學工具，這類平臺在無需切片加工的條件下即可獲得完整組織的3D信息。在組織透明化方法中，具有體積的組織內存在著高含量的脂質，會組織探針和光的滲透，從而影響探測效果。而對于組織轉化技術來說，它能通過水凝膠-組織融合手段在保證完整組織內細胞、分子空間背景的同時，徹底清除脂質、保證探測效果。近期，麻省理工學院的Kwanghun Chung等人撰寫了最新綜述文章，討論了組織轉化和標記技術的基本工程原理及其廣泛的應用、當前的挑戰和未來的潛力。相關綜述文章以“Basic principles of hydrogel-based tissue transformation technologies and their applications”為題發表在Cell。

【文章要點】

一、水凝膠基組織轉化技術及其特性

水凝膠組織轉化方法通過改變組織-凝膠雜化體的物化性質來高效保留和提取多尺度的生物學信息。為了有效控制組織-凝膠性質，了解這些技術背后的基本物理化學原理是關鍵。在組織轉化中，主要存在著兩種水凝膠技術：一是生物大分子間固定法，即創造交聯生物大分子的內部網格結構；二是人工水凝膠法，即創造集成了生物大分子的外源性水凝膠網狀支架。

圖1 常見的組織-水凝膠技術概覽

二、水凝膠基組織轉化技術的優化標準

水凝膠的性質對于最大化地獲取生物學信息來說至關重要。在優化組織-凝膠雜化體時，首先需要考慮水凝膠在該組織轉化中需要具備的四種基本性質：探針兼容性、生物分子穩定性、力學韌性、滲透性/透明度。

為了及時調整上述的四種水凝膠基本性質以適應研究需求，還需要從五個參數層面來進行調節控制。一是固定強度（可從固定時間、化學固定物濃度、溫度等方面進行調整），二是脫脂/消化度（可從改變化學試劑、處理時間等方面進行調整），三是單體濃度（影響人工水凝膠性質），四是交聯劑濃度，五是引發劑濃度。

圖2 組織-凝膠性質的優化

三、將水凝膠基方法擴展到體積樣品的挑戰

在水凝膠基組織轉化技術中，水凝膠網格扮演了重要的角色，其可以在脂質（脫脂）去除過程中保證生物分子保留在生理位置。內源性的脂質層起到了物理和光學屏障的作用，能夠阻止分子探針和光子的胞內遞送行為。因此，脫脂程度極大地影響了生物組織的分子滲透性和光學透明度。也就是說，如何增加有效擴散、減少組織的特征長度是優化探測效果的關鍵，也是目前該領域存在的主要挑戰。

圖3 組織透明化和分子遞送的基本原理

四、組織轉化技術的應用

組織轉基技術為研究多尺度下的多樣化組學信息提供了難得的機會。例如在轉錄組學研究中，組織轉化技術可以在天然組織環境中以單細胞分辨率繪制單個 RNA 分子。而在蛋白質組學成像技術中，新技術的發展可以允許從組織切片中提取蛋白質組學的細節信息。最后，在連接組學（Connectome）中，組織轉化技術可以在突觸水平的分辨率上繪制局部神經線路，無需標記單個神經元即可對神經軸突和突觸連接進行追蹤。

圖4 空間蛋白質組學和連接組學分析

結論：在近十年的時間里，組織轉化技術領域取得了長足的進步。這些技術進步還與顯微技術的發展相結合，可以對體積樣本進行快速和高分辨率的成像。然而，要最大限度地在研究領域發揮這些技術，目前還有很長的路需要走。為了實現這一目的，從組織轉化、標記和成像到自動圖像分析，每一步的持續改進將是必不可少的。不僅如此，建立可應用于不同技術平臺的嚴格驗證標準將會使基礎研究獲益良多。不管怎樣，組織轉化技術及其協同方法的不斷完善和進步終將推動整體系統水平的生物學研究。

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