成像方法揭示了人脑组织中的新细胞和结构

麻省理工学院和布莱根妇女医院/哈佛医学院的研究人员使用一种新型显微镜技术，比以往任何时候都更详细地对人类脑组织进行了成像，揭示了以前不可见的细胞和结构。

在他们的研究结果中，研究人员发现，一些“低级别”脑肿瘤含有比预期更多的假定侵袭性肿瘤细胞，这表明其中一些肿瘤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。很多我们用传统工具真的看不到的东西，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，“前麻省理工学院博士后Pablo Valdes说，他现在是德克萨斯大学医学部神经科学助理教授，也是该研究的主要作者。

麻省理工学院 Y. Eva Tan 神经技术教授 Edward Boyden;生物工程、媒体艺术与科学、脑与认知科学教授;霍华德休斯医学研究所调查员;麻省理工学院麦戈文脑研究所和科赫综合癌症研究所的成员;哈佛医学院神经外科教授、布莱根妇女医院神经外科主任E. Antonio Chiocca是该研究的资深作者，该研究今天发表在 《科学转化医学》上。

使分子可见

新的成像方法基于扩展显微镜，这是Boyden实验室于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，而不是使用强大，昂贵的显微镜来获得高分辨率图像，允许它以非常高的分辨率成像普通光学显微镜。

该技术的工作原理是将组织嵌入聚合物中，当加水时会膨胀，然后软化并分解通常将组织固定在一起的蛋白质。然后，加水使聚合物膨胀，将所有蛋白质彼此拉开。这种组织扩大使研究人员能够获得分辨率约为 70 纳米的图像，这在以前只有非常专业和昂贵的显微镜（如扫描电子显微镜）才能实现。

2017年，博伊登实验室开发了一种扩增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。通过在扩增前用荧光抗体标记蛋白质，可以在扩增过程完成后可视化蛋白质的位置和身份。然而，通常用于这种标记的抗体在扩增之前不能轻易地挤过密集堆积的组织。

因此，在这项研究中，作者设计了一种不同的组织软化方案，该方案可以分解组织，但保留样品中的蛋白质。组织扩增后，可以用市售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。这种蛋白质标记可以对更多的结构进行成像，因为一旦组织扩增，抗体就可以挤压并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，这样我们就可以将抗体带入拥挤的空间，否则我们无法进入，”Valdes说。“我们看到我们可以扩大组织，我们可以减少蛋白质的拥挤，我们可以通过进行多轮染色来对同一组织中的许多蛋白质进行成像。

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

这项新研究产生了一种用于人脑组织样本的去拥挤技术，该样本在临床环境中用于病理诊断和指导治疗决策。这些样品可能更难处理，因为它们通常嵌入石蜡中，并用其他化学物质处理，这些化学物质需要在组织扩增之前进行分解。

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。他们靶向的分子包括各种结构的标记物，包括轴突和突触，以及识别细胞类型的标记物，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退行性变相关的分子。

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

“我们想研究脑肿瘤，这样我们就可以在纳米尺度上更好地了解它们，通过这样做，将来能够开发出更好的治疗方法和诊断。在这一点上，它更多的是开发一种能够更好地理解它们的工具，因为目前在神经肿瘤学中，人们在超分辨率成像方面做得不多，“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，研究人员标记了波形蛋白，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，他们在低级别神经胶质瘤中发现的表达波形蛋白的肿瘤细胞比使用任何其他方法看到的要多得多。

“这告诉我们一些关于这些肿瘤的生物学，特别是其中一些肿瘤可能具有比标准染色技术所怀疑的更具侵略性，”Valdes说。

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。

“这些是无法治愈的脑癌，这种类型的发现将使我们能够弄清楚要靶向哪些癌症分子，以便我们可以设计更好的治疗方法。这也证明了让像我们这样的临床医生在布莱根妇女医院与麻省理工学院的埃德·博伊登（Ed Boyden）等基础科学家互动，以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患者的肿瘤，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，以尝试根据可以使用这种技术揭示的肿瘤特征建立诊断指南。

“我们希望这将成为一种诊断工具，用于检测标记细胞、相互作用等，这是我们以前无法做到的，”他说。“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以前所未有的方式在纳米尺度上观察神经系统疾病，因为从根本上说，它是一个非常简单的工具。

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

“能够进行纳米成像很重要，因为生物学是关于纳米级的东西 – 基因，基因产物，生物分子 – 它们在纳米级距离上相互作用，”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。

该研究由霍华德休斯医学研究所的K. Lisa Yang，John Doerr，Open Philanthropy，比尔和梅琳达·盖茨基金会，科赫研究所前沿研究计划，美国国立卫生研究院和神经外科研究与教育基金会资助。