逆天!MIT大牛用尿布材料将大脑尺寸扩大了20倍

医疗健康 来源:学术经纬
2017
04/20
09:35
学术经纬 医疗健康

近日,《自然》子刊《Nature Methods》上发表了一篇论文,而它立刻得到了《科学》官网的报道,这是重磅新闻才能享受的殊荣。这则被两家顶尖学术期刊共同关注的研究出自MIT的著名科学家Ed Boyden教授之手。他的团队发明的“大脑倍增术”将大脑尺寸扩大了20倍,让神经学家能在普通的光学显微镜下,以极高的分辨率观察大脑结构,甚至清晰地分辨出不同的突触蛋白。


▲Ed Boyden教授是光遗传学的奠基人之一,也因此为世人所熟知(图片来源:MIT)

对于生物学家来说,仅仅是将生物样本放大,就足以获得大量新知识。几百年前,显微镜让人类知道了细胞的存在。如今,更高级的显微镜则让科学家们能看清细胞内不同蛋白的运作。在日新月异的科技发展面前,MIT生物工程系研究脑与认知科学的Boyden教授有了一个新想法。“我们想要了解整个大脑回路的布局,”他说道:“如果你能重建出一个完整的大脑回路,或许你就能利用计算模型,了解大脑是如何产生情感或是做出决定。当你了解到每一个生物分子的布局、细胞如何产生电信号、并且怎样交换化学物质后,你就有能力去模拟整个大脑。”

然而大脑本身却不是一个适合观察的器官。它总体而言不透明,细胞与细胞之间排列组合错综复杂。利用现有的共聚焦显微镜(confocal microscope),科学家们能观察到的分辨率最高只有几百纳米。


▲科学家们希望有朝一日能还原出整个大脑回路的布局(图片来源:《科学》)

如果直接观察这些组织过于困难,我们为啥不能把这些组织变得更大呢?MIT的科学家们想到了一种叫做聚丙烯酸酯的材料。这是一类高吸水性的分子,最常见的用途之一是婴儿尿布。在吸收了婴儿的尿液后,它的体积会扩大很多倍。研究人员意识到,这一特性也许能被用来扩大大脑样本的体积。

在一项实验中,研究人员将大脑样本包埋在了这类分子中,并用带有荧光的标记分子去识别特定的蛋白靶点。等到这些标记分子就位后,研究人员用蛋白酶清除样品中的蛋白质(包括那些让组织粘连在一起的蛋白),然后给样本加上了水。在吸收水分后,随着吸水性材料的不断膨胀,大脑样本也随之慢慢扩大。在此过程中,那些荧光标记分子依旧保持着各自相对的位置,从而反映了大脑样本原有的结构。利用未被蛋白酶降解的标记分子留下的荧光,研究人员就能估算出大脑样本扩大的倍数。

这种简单的方法能在线性维度上,将大脑扩大4.5倍。这一看似微小的变化,能将分辨率从几百纳米提高到60纳米。在共聚焦显微镜下,原本模糊一片的样品,变得无比清晰。


▲尿布材料让大脑样本变得清晰无比(图片来源:《Nature Methods》)

这是一个巨大的突破——它首次让科学家们能以常规的光学显微镜,达到只有昂贵的显微镜才能看到的效果。但研究人员对此依旧不满意。“单独的生物分子还要小,它们只有5纳米,甚至更小,” Boyden教授说道:“这套技术能回答许多科学上的问题,但和电子显微镜等最高清晰度的成像手段还无法同日而语。”因此,研究人员并没有停下脚步,而是继续钻研让放大倍数继续增加的可能性。

在一些初步的实验中,研究人员发现,如果减少把这些吸水分子链接起来的交联物,大脑的体积就能得到进一步扩大。这就好像较薄的气球更容易被吹起来一样,很容易理解。但容易吹起来的气球也容易破,这套系统也有同样的问题。如果减少这些交联物,大脑结构会在膨胀的过程中变得不稳定,甚至是乱七八糟。这可不是研究人员想看到的。

“如果你减少交联物的密度,这些多聚体就不能在膨胀过程中很好地保持自身的结构,” Boyden教授评论说:“很多信息就这样丢失掉了。”


▲第二种凝胶让大脑样本得以进一步扩大(图片来源:《Nature Methods》)

那有什么办法能让大脑组织在膨胀的过程中保持结构稳定呢?研究人员用上了另一种特殊的凝胶——在大脑样本随着吸水分子的膨胀而倍增后,研究人员把这些样本放到了特殊的凝胶里,让凝胶去破坏原有吸水分子间的交联。但与此同时,这种凝胶的特性让大脑的结构依旧保持稳定。随后,研究人员再次让这些样本膨胀,进一步放大它的尺寸。

这样一来,大脑样本的尺寸能被额外扩大4倍左右。换句话说,普通大脑样本的尺寸在线性维度上能被扩大到20倍左右,分辨率达到了25纳米。


▲用常规的显微镜,人们首次能以如此高的清晰度看到大脑内的结构(图片来源:《Nature Methods》)

这与目前的一些高级显微镜能达到的分辨率旗鼓相当。但这套技术的成本要低得多,实际操作上更方便,也不需要特殊的试剂和仪器。

利用这套技术,研究人员不但能看到影响突触内数百种蛋白结构的支架蛋白,更能清楚地观察到神经递质受体在突触后细胞表面上的分布。这些观察结果有助于神经科学领域的最新研究。

尽管离还原整个大脑的布局还有一定距离,但Boyden教授对此表示乐观。他认为在接下来的几年,他们有望从突触的支架蛋白和信号蛋白入手,开始还原它们在大脑中的布局。这一前景让人感到兴奋。

参考资料

[1] Iterative expansion microscopy

[2] Expansion microscopy

[3] By blowing up brain tissue to 20 times its size, scientists see unprecedented details

[4] High-resolution imaging with conventional microscopes

来源:学术经纬

为你推荐

恩凯赛药完成数千万元A++轮融资,加速推进NK细胞免疫产品管线资讯

恩凯赛药完成数千万元A++轮融资,加速推进NK细胞免疫产品管线

近期,恩凯赛药(上海恩凯细胞技术有限公司)宣布完成数千万元A++轮融资,本轮融资由三生制药领投,张科禾润、易津资本等跟投。本轮募集的资金将用于加速推进恩凯赛药在研产品管...

2024-11-22 09:22

CDE:细胞治疗产品临床药理学研究技术指导原则(试行)资讯

CDE:细胞治疗产品临床药理学研究技术指导原则(试行)

本指导原则所涵盖的细胞治疗产品是指来源、操作和临床试验过程符合伦理要求,按照药品管理相关法规进行研发和注册申报,用于治疗疾病的人体来源活细胞产品。

2024-11-21 22:11

又一款针对晚期肺癌的创新药获批上市资讯

又一款针对晚期肺癌的创新药获批上市

日前,根据国家药监局官网信息显示,晨泰医药申报的1类创新药盐酸佐利替尼片(商品名:泽瑞尼)获批上市,用于具有表皮生长因子受体(EGFR)19号外显子缺失或外显子21(L858R)...

2024-11-21 16:04

万泰生物九价HPV疫苗男性临床试验申请获批资讯

万泰生物九价HPV疫苗男性临床试验申请获批

近日,万泰生物发布公告称,公司全资子公司厦门万泰沧海生物技术有限公司(下简称:万泰沧海生物)收到国家药品监督管理局下发的《药物临床试验通知书》(通知书编号:2024LP025...

2024-11-21 13:31

百济神州,达成了一项和解资讯

百济神州,达成了一项和解

近日,百济神州美股发布临时公告宣布,其两家子公司BeiGene USA,Inc 和BeiGene Switzerland GmbH(与百济神州有限公司合称“百济神州”)与MSN Pharmaceuticals,Inc 和MSN...

2024-11-21 08:54

山西公布2023 年国谈药品(竞价药品)同通用名药品(第二批)医保支付标准资讯

山西公布2023 年国谈药品(竞价药品)同通用名药品(第二批)医保支付标准

国谈药品(竞价药品)同通用名药品(第二批)医保支付标准。

2024-11-20 20:40

TPP亚太区总裁叶惠琦:以AI赋能医疗,推动“一人一生一份电子病历”理念中国落地资讯

TPP亚太区总裁叶惠琦:以AI赋能医疗,推动“一人一生一份电子病历”理念中国落地

作为英国NHS(英国国家医疗卫生体系)首选的医疗解决方案与服务供应商,TPP凭借其前沿的理念和创新的技术,正加速在中国市场深耕,推动中国医疗服务的信息化、智慧化进程。

文/张蓉蓉 2024-11-20 15:51

将获超4000万美元现金付款,博奥信2款自免资产授权出海资讯

将获超4000万美元现金付款,博奥信2款自免资产授权出海

日前,博奥信生物宣布与Aclaris Therapeutics就BSI-045B和BSI-502达成全球(除大中华区外)独家授权协议。根据协议条款,博奥信将获得超过4000万美元的现金付款,作为首付款以...

2024-11-20 14:19

中国心梗救治日|欧翎先锋赋能基层药师,共筑基层血脂科学管理资讯

中国心梗救治日|欧翎先锋赋能基层药师,共筑基层血脂科学管理

目前,我国血脂异常患病率较高,但知晓率、治疗率与达标率均处于较低水平,居民血脂管理亟待加强。

2024-11-20 13:12

因美纳宣布扩展TruSight Oncology产品线资讯

因美纳宣布扩展TruSight Oncology产品线

最新解决方案将亮相于分子病理学协会年度会议,以实现对肿瘤的全景变异分析。由因美纳客户主导的研究和分享将提供最新的肿瘤分析证据和相关内容。

2024-11-20 10:01

一家中国Biotech企业反向收购了美股上市公司资讯

一家中国Biotech企业反向收购了美股上市公司

在当今的生物科技领域,Biotech公司正积极探索新的生存与发展之道,或选择“卖身”大药企怀抱,或寻求“联姻”以壮大自身。而在这股潮流中,睿跃生物(Cullgen)却独辟蹊径,通...

2024-11-20 09:21

共创共享眼科智慧!首届泛大湾区眼科学术会议(PGBO·2024)圆满落幕资讯

共创共享眼科智慧!首届泛大湾区眼科学术会议(PGBO·2024)圆满落幕

11 月 15 日至 17 日,由爱尔眼科医院集团、广东省医疗行业协会主办,东莞市医学会眼科分会、暨南大学附属东莞爱尔眼科医院承办的“首届泛大湾区眼科学术会议(PGBO·2024...

2024-11-20 09:16

让急救更便捷,晖致在研新药亮相长城会,期待助力心梗救治资讯

让急救更便捷,晖致在研新药亮相长城会,期待助力心梗救治

11月7—10日,第35届长城心脏病学大会(GW-ICC 2024)暨亚洲心脏大会(ASH 2024)在北京召开。作为全球领先的医疗健康公司企业之一,晖致携在研新款高选择性的P2Y12受体拮抗剂...

2024-11-19 16:51

康弘药业荣获2024中医药传承与创新最佳实践案例奖资讯

康弘药业荣获2024中医药传承与创新最佳实践案例奖

经过激烈角逐,凭借在中医药传承与创新实践方面的卓越表现,康弘药业下属子公司——济生堂药业,从众多参选企业中脱颖而出,成功登榜“2023中国中药企业传承与创新最佳实践案例50”。

2024-11-19 13:19

上海公布2024年9月挂网公开议价超“黄线”、未通过公允性评估、重点监控药品幅度靠前且有一定采购金额的品种资讯

上海公布2024年9月挂网公开议价超“黄线”、未通过公允性评估、重点监控药品幅度靠前且有一定采购金额的品种

近日,上海市医药集中招标采购事务管理所公布了2024年9月挂网公开议价超“黄线”、未通过公允性评估、重点监控药品幅度靠前且有一定采购金额的品种。

2024-11-18 22:09

华东医药创新研发加速,两款GLP-1药物获批脂肪肝相关适应症临床试验资讯

华东医药创新研发加速,两款GLP-1药物获批脂肪肝相关适应症临床试验

由全资子公司中美华东申报的HDM1005注射液(靶向GLP-1 GIP长效激动剂)临床试验申请已获得FDA批准,可在美国开展I期临床试验,适应症为代谢相关脂肪性肝炎(MASH)。

2024-11-18 20:02

美的楼宇科技携制药行业暖通解决方案亮相2024药机展,赋能制药行业绿色智慧升级资讯

美的楼宇科技携制药行业暖通解决方案亮相2024药机展,赋能制药行业绿色智慧升级

11月17日,第65届(2024秋季)中国国际制药机械博览会(以下简称“药机展”)于厦门国际博览中心盛大举办。作为楼宇智慧生态集成解决方案引领者,美的楼宇科技以“以智提质,构...

2024-11-18 15:12

最高6.26亿美元,康诺亚再“出海”一款双抗资讯

最高6.26亿美元,康诺亚再“出海”一款双抗

日前,康诺亚发布公告宣布其子公司成都康诺亚与Platina Medicines Ltd(PML)已订立独家许可协议,授予PML在全球(不包括中国内地、香港、澳门及台湾)研究、开发、生产、注册...

2024-11-18 11:06

万米高空出生的早产儿,如何百日闯关?资讯

万米高空出生的早产儿,如何百日闯关?

凯西提供覆盖从新生儿到老年人的呼吸疾病治疗解决方案,至今已服务了数百万名中国早产儿。

2024-11-18 10:22

华东医药旗下Sinclair多款核心医美产品国内临床取得新进展资讯

华东医药旗下Sinclair多款核心医美产品国内临床取得新进展

其中, MaiLi Precise完成中国临床试验全部受试者主要终点随访;Ellansé®伊妍仕® S型新增适应症和Lanluma® V型均完成中国临床试验全部受试者入组;全新专利成分的真皮注...

2024-11-17 19:20