纳米级可视化脑癌的新方法

来自布莱根妇女医院和麻省理工学院(MIT)的研究人员通过使用一种名为去拥挤扩张病理学(dExPath)的新型显微镜技术，揭示了前所未有的详细脑癌组织图像。他们的研究结果发表在《科学转化医学》上，提供了对脑癌发展的新见解，对推进侵袭性神经系统疾病的诊断和治疗具有潜在影响。

“过去，我们依赖昂贵的超分辨率显微镜，只有资金雄厚的实验室才能负担得起，需要专门的培训才能使用，而且对于分子水平的脑组织高通量分析通常不切实际，”说巴勃罗·瓦尔德斯(PabloValdes)医学博士、哲学博士是布里格姆大学神经外科住院医师，也是该研究的主要作者。“这项技术为临床带来了可靠的超分辨率成像，使科学家能够使用传统显微镜在传统临床样本上以前所未有的纳米级水平研究神经系统疾病。”

研究人员此前依靠昂贵的超高分辨率显微镜对细胞和脑组织中的纳米级结构进行成像，即使采用最先进的技术，他们也常常难以有效地捕获纳米级的这些结构。

EdBoyden博士是麻省理工学院神经技术领域的Y.EvaTan教授，也是这项研究的共同高级作者，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。科学家们依靠被称为蛋白酶的酶来分解组织，发现这种用酶进行的化学处理在分析蛋白质之前就将其破坏，只留下了原始结构的骨架，只保留了标签。

Boyden和E.AntonioChiocca(布莱根妇女医院神经外科主任、本研究的共同资深作者)医学博士、哲学博士合作，在Valdes接受神经外科医生兼科学家培训期间指导他使用dExPath开发新型化学物质解决原有扩容技术的局限性。

他们的新技术通过将组织嵌入凝胶中来对组织进行化学修饰，并通过特殊的化学处理“软化”组织，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来结合并照亮样本中的生物标志物。

然而，抗体很大，很多时候无法轻易穿透细胞结构到达目标。现在，通过使用dExPath将蛋白质分开，这些用于染色的相同抗体可以穿透空间，结合组织中在扩展之前无法访问的蛋白质，突出显示纳米大小的结构，甚至以前隐藏的细胞群。

“人类大脑有几个保护装置，可以保护自己免受病原体和环境毒素的侵害。但是这些元素使得研究大脑活动变得具有挑战性。这有点像驾驶汽车穿过泥泞和沟渠。我们无法访问大脑中的某些细胞结构。布里格姆医院神经外科主任E.AntonioChiocca医学博士、哲学博士说：“这只是这项新技术能够如此改变实践的原因之一。如果我们能够拍摄更详细、更准确的脑组织图像，我们就可以识别更多的生物标志物，并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神经退行性疾病(包括阿尔茨海默病和帕金森病)影响的脑组织。研究人员对大脑和疾病特异性生物标志物的组织进行了染色，并在使用dExPath扩展样本之前和之后捕获了图像。

结果显示组织均匀一致地扩张而不会变形，从而能够准确分析蛋白质结构。此外，dExPath有效消除了脑组织中称为脂褐素的荧光信号，这使得脑组织中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提供更强的荧光信号，以改进标记以及在同一组织样本中同时标记多达16种生物标记物。值得注意的是，dExPath成像显示，之前被归类为“低级别”的肿瘤包含更具侵袭性的特征和细胞群，这表明肿瘤可能变得比预期的危险得多。

虽然dExPath前景广阔，但它需要对更大的样本量进行验证，然后才能有助于诊断脑癌等神经系统疾病。瓦尔德斯强调，尽管仍处于早期阶段，但他的团队希望这项技术最终能够成为一种诊断工具，最终提高患者的治疗效果。

“我们希望通过这项技术，我们能够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的相互作用，而无需依赖昂贵的实验室设备，”现任神经外科助理教授的瓦尔德斯和珍妮说。德克萨斯大学医学分部神经科学Sealy杰出主席。

“dExPath的可用性将带来超分辨率成像，以了解神经肿瘤学和阿尔茨海默氏症和帕金森氏症等神经系统疾病中人体组织纳米级的生物处理，有一天，甚至可以改善诊断策略和患者治疗结果。”