麻省理工學(xué)院的化學(xué)工程師和神經(jīng)科學(xué)家設(shè)計了一種保護生物組織的新方法，使他們能夠可視化細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)，DNA和其他分子，并繪制神經(jīng)元之間的連接圖。研究人員表明，他們可以使用這種稱為SHIELD的方法來追蹤大腦中有助于控制整個大腦運動和其他神經(jīng)元的部分神經(jīng)元之間的聯(lián)系。

“使用我們的技術(shù)，我們第一次能夠以單細胞分辨率繪制這些神經(jīng)元的連通性，”化學(xué)工程助理教授兼麻省理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)研究所成員Kwanghun Chung說。學(xué)習(xí)與記憶研究所。“我們可以通過完全集成的方式從同一組織獲得所有這些多尺度，多維信息，因為通過神盾局，我們可以保護所有這些信息。”

Chung是該論文的高級作者，該論文發(fā)表在12月17日出版的Nature Biotechnology上。該論文的主要作者是麻省理工學(xué)院博士后Young-Gyun Park，Chang Ho Sohn和Ritchie Chen。

Chung現(xiàn)在領(lǐng)導(dǎo)一個來自幾個機構(gòu)的研究人員團隊，他們最近獲得了美國國立衛(wèi)生研究院的資助，使用這種技術(shù)生成整個人類大腦的三維地圖。“我們將與MGH的Matthew Frosch小組，MGH的Van Wedeen小組，普林斯頓大學(xué)的Sebastian Seung小組以及麻省理工學(xué)院林肯實驗室的Laura Brattain小組合作，制作出最全面的大腦地圖，”他說。

保存信息

腦組織非常脆弱，除非采取措施保護組織免受損傷，否則不易研究。Chung和其他研究人員之前已經(jīng)開發(fā)出一些技術(shù)，可以保留腦組織的某些分子成分用于研究，包括蛋白質(zhì)或信使RNA，揭示哪些基因被打開。

然而，Chung說，“沒有好的方法可以保存一切。”

Chung和他的同事假設(shè)他們可能能夠使用通常用于生產(chǎn)膠水的聚環(huán)氧化物 - 反應(yīng)性有機分子的分子來更好地保存組織。他們測試了幾種市售的聚環(huán)氧化物，并發(fā)現(xiàn)了一種具有獨特結(jié)構(gòu)特征的聚環(huán)氧化物，使其非常適合其用途。

他們選擇的環(huán)氧化物具有靈活的主鏈和五個分支，每個分支可以結(jié)合某些氨基酸(蛋白質(zhì)的構(gòu)建塊)，以及其他分子如DNA和RNA。柔性主鏈允許環(huán)氧化物結(jié)合沿靶分子的幾個點，并與附近的生物分子形成交聯(lián)。這使得單個生物分子和整個組織結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定并且抵抗來自熱，酸或其他有害物質(zhì)的損害。SHIELD還保護生物分子的關(guān)鍵特性，例如蛋白質(zhì)熒光和抗原性。

為了保護大規(guī)模的腦組織和臨床樣本，研究人員將SHIELD與SWITCH結(jié)合起來，SWITCH是他們開發(fā)的另一種控制化學(xué)反應(yīng)速度的技術(shù)。他們首先使用SWITCH-OFF緩沖液，它可以阻止化學(xué)反應(yīng)，使環(huán)氧化物有時間擴散通過整個組織。當研究人員將樣品移至SWITCH-ON狀態(tài)時，環(huán)氧化物開始與附近的分子結(jié)合。

為了加快SHIELD保護組織的清除和標記過程，研究人員還應(yīng)用了一個隨機變化的電場，他們之前已經(jīng)證明了這一點可以提高分子的傳輸速率。在本文中，他們表明，從保存到活檢組織標記的整個過程可以在短短四個小時內(nèi)完成。

“我們發(fā)現(xiàn)這種SHIELD涂層可以保持蛋白質(zhì)對抗嚴酷的壓力因素，”Chung說。“因為我們可以保留我們想要的所有信息，并且我們可以在多個階段提取它，我們可以更好地理解生物組件的功能，包括神經(jīng)回路。”

一旦組織被保存，研究人員就可以標記各種不同的目標，包括細胞產(chǎn)生的蛋白質(zhì)和mRNA。他們還可以應(yīng)用Chung在2016年開發(fā)的MAP等技術(shù)來擴展組織并將其成像為不同尺寸。

在本文中，研究人員用Byungkook Lim的加州大學(xué)圣地亞哥分校小組一起使用SHIELD映射腦電路，其蒼白球外耳炎(GPE)大腦基底節(jié)，部分開始。該區(qū)域涉及運動控制和其他行為，是深部腦刺激的目標之一 - 一種有時用于治療帕金森病的電刺激。在小鼠腦中，Chung和他的同事能夠追蹤GPe和大腦其他部分神經(jīng)元之間的聯(lián)系，并計算這些神經(jīng)元之間假定的突觸連接的數(shù)量。

更好的活檢

Chung說，SHIELD組織處理的速度意味著它還有望對患者組織樣本進行快速，更豐富的活檢。目前的方法需要用石蠟包埋組織樣本，切片，然后施加可以揭示細胞和組織異常的污漬。

“目前的組織診斷方法在幾十年內(nèi)沒有改變，這個過程需要數(shù)天或數(shù)周，”Chung說。“利用我們的技術(shù)，我們可以快速處理完整的活檢樣本，并使用真正特異的臨床相關(guān)抗體對其進行免疫標記，然后以高分辨率，三維方式對整個事物進行成像。一切都可以在四小時內(nèi)完成。”

在本文中，研究人員表明他們可以用針對增殖癌細胞的抗體標記小鼠腎腫瘤。

“在光學(xué)顯微鏡實驗中，組織樣本中生物信息的穩(wěn)定和保存是必不可少的，”斯坦福大學(xué)生物學(xué)教授Liqun Luo說，他沒有參與這項研究。“神盾局的成就不僅在一個類別中取得了很大的進步，而且在保存蛋白質(zhì)，轉(zhuǎn)錄物和組織結(jié)構(gòu)方面取得了顯著的進步，因為樣品是通過當今最好的標記和成像協(xié)議規(guī)定的苛刻技術(shù)處理的。 “