黑科技!破除常规,生物组织还可以材料化!MIT团队实现将大脑进行伸展
小奇 2020-05-22

当有一个棘手的问题需要解决时,人们有时会提供一些隐喻性的建议,例如“延伸下思维”或进行“灵活”的思考。较真一下:难道大脑可以进行延伸?

 

来自麻省理工学院的Kwanghun Chung等人表示让大脑延伸真的有可能!他们设计了一种更直截了当的解决方案,来解决许多生物医学研究实验室所面临的问题——组织(如大脑)切片保存和成像。

 

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图自pixabay

 

该课题组为了使大脑和其他大型组织中的细胞和分子成像更容易,同时又使样品足够坚韧,可以在实验室中进行多年的处理,他们提出了一种化学过程,使组织具有可拉伸性、可压缩性和几乎不可摧毁性。

 

具体而言,Kwanghun Chung课题组开发了一种叫做缠结连接增强可拉伸组织水凝胶(entangled link-augmented stretchable tissue-hydrogel ,ELAST)技术,该技术可将组织转变为弹性水凝胶,可同时增强大分子的可及性和机械稳定性。弹性组织具有高度的可拉伸性和可压缩性,可实现可逆的形状转换,并通过机械变薄将探针更快地递送到完整的组织样本中,可非常快速地用荧光标记大脑,肾脏,肺,心脏和其他器官内的细胞,蛋白质,遗传物质和其他分子。相关成果发表在Nature Methods上。


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破除常规

在研究组织结构时,通常需要反复对组织进行成像,非常的耗时,这时候组织能否保存完整还是个问题,而且像人体组织这种稀缺资源更需要珍惜每一个组织,研究关键几种蛋白或神经元时,就对组织进行反复染色和观察而不能破坏它。那么能不能把组织变成材料化呢?

 

于是他们转换思维方式,认为:生物组织不需要非常具有生物性。只要研究的不是活生生的东西,而是研究它的外观,那么就可以在保持外观的同时改变组织的材料类型。

 

具体思路

研究人员发现高浓度(20-60%(wt/vol))的丙烯酰胺(AAm)可以在一步合成中单独聚合形成弹性水凝胶。使用低浓度的热引发剂和交联剂来合成在高聚物密度环境下自然相互缠结的长聚合物链。


与典型的由高浓度交联剂共价连接的pAAm凝胶相比(图1a),缠结的pAAm凝胶是通过生长的聚合物链之间的物理光滑缠结形成的(图1b)。这种滑移链赋予了缠结的凝胶以柔韧性和弹性。该缠结pAAm凝胶对物理应力(如九倍压缩和十倍拉伸)表现出稳定性,而不会在组织中造成任何撕裂或永久移位。


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图1. ELAST示意图

 

研究表明,将聚丙烯酰胺完全整合到大量组织中以达到弹性可能需要长达21天的时间,但从那时起,任何单独的标记步骤,例如标记特定种类的细胞以确定其丰度,或标记特定蛋白质以查看其表达位置,比以前的方法快得多。

 

举个栗子:

通过反复压缩人脑的5毫米厚的横截面,该团队只需24小时就可以完全标记上了。与2013年Chung(第一作者)等人发表在Nature上 “CLARITY”(一种使脑组织透明并用丙烯酰胺凝胶固定的方法)进行比较,CLARITY技术在24小时之内只完成了该切片的四分之一的标记工作。由于标记时间是通过平方探针必须穿透的深度来估算的,因此计算表明,使用ELAST进行标记的速度比使用CLARITY进行速度快100倍。

 

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图|组织标本的机械增强和可逆形状转换

 

小结:

研究人员预计,ELAST通过同时克服两个主要瓶颈:缓慢的分子标记和低组织完整性,加速了组织表型方法向更大的系统扩展。例如,人体器官切片的横向尺寸比啮齿动物器官切片的横向尺寸大一个数量级,这使得人体标本比具有相同厚度的动物组织更容易受到机械损伤。ELAST不仅能将组织转变成一个几乎不可摧毁的平台,还能以更快的速度标记较厚的组织。加上该方法的多功能性和简单性,ELAST将有助于研究更高级的动物模型和临床人体样本。


参考文献:

Ku,T., et al. Elasticizing tissues for reversible shape transformation andaccelerated molecular labeling. Nat Methods (2020).

https://doi.org/10.1038/s41592-020-0823-y

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