研究人员已经开发出一种新的显微镜技术，称为拥挤扩张病理学(dExPath)来分析脑组织。通过用dExPath分离蛋白质，研究人员可以对组织中以前无法接触到的蛋白质进行染色，突出显示纳米大小的结构，甚至是以前隐藏的细胞群。这种“超分辨率成像”技术有可能为改善诊断策略和患者预后提供见解。
来自布里格姆妇女医院和麻省理工学院(MIT)的研究人员通过使用一种新的显微镜技术(称为dExPath)公布了前所未有的详细脑癌组织图像。布里格姆妇女医院是麻省理工学院的创始成员之一。他们的研究结果发表在《科学转化医学》杂志上，为脑癌的发展提供了新的见解，对推进侵袭性神经系统疾病的诊断和治疗具有潜在的意义。
“在过去，我们依赖于昂贵的超分辨率显微镜，只有资金充足的实验室才能负担得起，需要专门的培训才能使用，而且在分子水平上对脑组织进行高通量分析通常是不切实际的，”布里格姆大学神经外科住院校友、该研究的主要作者Pablo Valdes医学博士说。“这项技术为临床带来了可靠的超分辨率成像，使科学家能够在传统临床样本上使用传统显微镜在前所未有的纳米水平上研究神经系统疾病。”
研究人员以前依赖于昂贵的超高分辨率显微镜来成像细胞和脑组织中的纳米级结构，而且，即使使用最先进的技术，他们也经常难以有效地捕获纳米级结构。
Ed Boyden博士是麻省理工学院的Y. Eva Tan神经技术教授，也是这项研究的资深作者之一，他开始通过标记组织来解决这个问题，然后对它们进行化学修饰，使组织能够均匀地物理扩张。然而，这种扩展技术远非完美。依靠被称为蛋白酶的酶来分解组织，科学家们发现这种酶的化学处理在他们分析蛋白质之前就破坏了它们，只留下原始结构的骨架，只留下标签。
Boyden和E. Antonio Chiocca(医学博士，布里格姆妇女医院神经外科主席，本研究的共同资深作者)一起合作，在Valdes作为神经外科科学家的培训期间指导他使用dExPath开发新型化学物质，以解决原始扩展技术的局限性。
他们的新技术通过将组织嵌入凝胶中进行化学修饰，并通过特殊的化学处理将组织“软化”，分离蛋白质结构而不破坏它们，并允许组织扩张。这为麻省理工学院和布里格姆大学的研究人员提供了令人兴奋的发现，他们通常使用市售抗体结合并照亮样本中的生物标志物。然而，抗体很大，很多时候不能轻易穿透细胞结构到达目标。现在，通过用dExPath将蛋白质分离，这些用于染色的抗体可以穿透空间，结合组织中在扩张之前无法接触到的蛋白质，突出纳米级的结构，甚至是以前隐藏的细胞群。
“人类大脑中有几个阻止装置来保护自己免受病原体和环境毒素的侵害。但这些因素使得研究大脑活动具有挑战性。这有点像开车穿过泥泞和沟渠。由于阻碍，我们无法进入大脑中的某些细胞结构，”布里格姆神经外科主任、医学博士、博士E. Antonio Chiocca说。“这就是这项新技术可以如此实践改变的原因之一。如果我们能拍摄更详细、更准确的脑组织图像，我们就能识别更多的生物标志物，更好地诊断和治疗侵袭性脑部疾病。”
为了验证dExPath的有效性，Boyden和Chiocca的团队将该技术应用于健康的人类脑组织、高级别和低级别脑癌组织，以及受阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病影响的脑组织。研究人员对脑组织和疾病特异性生物标志物进行染色，并在dExPath扩展样本前后捕获图像。
结果显示组织均匀一致的膨胀而没有变形，从而能够准确分析蛋白质结构。此外，dExPath有效地消除了脑组织中称为脂褐素的荧光信号，这使得对脑组织亚细胞结构的成像变得非常困难，从而进一步提高了图像质量。此外，dExPath提供了更强的荧光信号，用于改进标记，并在同一组织标本中同时标记多达16种生物标志物。值得注意的是，dExPath成像显示先前被分类为“低级别”的肿瘤含有更多的侵袭性特征和细胞群，这表明肿瘤可能比预期的要危险得多。
虽然dExPath很有前景，但它需要在更大的样本量上进行验证，才能用于脑癌等神经系统疾病的诊断。Valdes强调，尽管这项技术仍处于早期阶段，但他的团队希望这项技术最终能作为诊断工具，最终提高患者的治疗效果。
“我们希望有了这项技术，我们可以在纳米级水平上更好地了解脑肿瘤的复杂运作及其与神经系统的相互作用，而不依赖于过于昂贵的实验室设备，”巴尔德斯说，他现在是德克萨斯大学医学分部神经外科助理教授和珍妮·西利神经科学杰出主席。“dExPath的可访问性将使超分辨率成像能够在纳米水平上理解神经肿瘤学和阿尔茨海默氏症和帕金森等神经系统疾病的人体组织中的生物过程，有朝一日，甚至可以改善诊断策略和患者的治疗效果。”
作者:Pablo Valdes (BWH和MIT)， Chih-Chieh (Jay) Yu, Jenna Aronson, Debarati Ghosh，赵永新，Bobae An (MIT)， Joshua D. Bernstock (BWH和MIT)， Deepak BWH, Michelle M. Felicella, Mariano S. Viapiano, Khalid Shah (BWH)，共同通讯资深作者E. Antonio Chiocca和Edward S. Boyden。
披露:Valdes、Zhao和Boyden已经就所描述的技术子集申请了专利保护。Yu是两种不同扩展显微镜技术的共同发明者。Bernstock持有Treovir Inc.和UpFront Diagnostics的股权。Bernstock也是Centile Bioscience的联合创始人，也是NeuroX1科学顾问委员会成员。博伊登是一家公司的联合创始人，该公司致力于扩展显微镜的商业应用。
资助:本研究由Lisa Yang, HHMI, John Doerr, Open Philanthropy, Bill & Melinda Gates Foundation, Koch Institute Frontier Research Program, NIH 1R01MH123403, NIH R56NS117465, NIH 1R01MH123977, NIH 1R56AG069192, NIH R01MH124606, NIH 1R01EB024261 (ESB)和神经外科研究与教育基金会(PAV)支持。
引用论文:Valdes P. et al。拥挤膨胀病理学:揭开完整人脑病理标本中以前看不见的纳米结构和细胞。科学转化医学DOI: 10.1126/ scitransmed .abo0049
