浅谈组织透明化技术：从传统方法到食品染料新突破
浅谈组织透明化技术：从传统方法到食品染料新突破
在神话和科幻电影中，“透视眼”一直是人类梦寐以求的技能。然而，在现实世界中，生命体是由复杂成分构成，光在穿透这些成分时会发生吸收和散射，使得“透视”变得困难。不过随着不断尝试与技术发展，研究者已逐渐掌握了一定的透视能力，为揭示埋藏暗处的“生命奥秘”引入了一线光明。科学家们是如何掌握“透视”能力，以揭示生命密码的呢？
这次小编就为大家分享几个经典的组织透明化技术和最近刊登在Science上的新方法，浅谈一下“组织透视”技术。
传统的离体组织透明方法
传统组织透明技术通常基于光学原理，通过使用不同的化学试剂去除组织中的光散射成分（主要为脂类和胶原蛋白，其折射率为1.4 -1.6，略高于水的折射率1.33），实现折射率匹配，从而达到光学透明。
目前常见的组织透明技术主要分为三类：1）利用有机溶剂处理的疏水法；2）利用可溶试剂处理的亲水法；3）包埋实现透明化的水凝胶法。
1、疏水法：
通过有机溶剂对组织进行脱水、脱脂、脱色、脱钙和折射率匹配等步骤处理，从而实现良好的透明效果。然而有机溶剂常导致组织收缩和硬化，脱水过程也可能损害荧光蛋白的结构，导致荧光信号减弱或消失。此外，有机试剂与许多水溶性试剂兼容性较差，限制了其应用的拓展。
图1.疏水法的大致流程和具有代表性的方法FDISCO
2、亲水法：
与疏水法相比，亲水法具有较好的生物相容性，可以更好地保存荧光信号，且更易于与生化实验结合。该方法通常涉及水溶试剂进行脱脂、脱色、折射率匹配等步骤。但是这种方法的透明效果一般不如疏水法，且容易导致组织吸水膨胀，从而引起形变。
图2.疏水法的大致流程和具有代表性的方法：SCALE:早期日本学者用尿素进行组织透明，效果较好（Hiroshi Hama2011.nature neuroscience)
3、水凝胶法：
通过将样本包埋在水凝胶中，有效固定和保护细胞结构及内部分子，以尽可能避免组织样本发生形变，并且处理简便、毒性低且生物相容性良好。其中代表性方法——CLARITY方法：利用电场去除样本的脂质，能够快速有效地实现样本透明化，同时保护DNA/RNA/荧光基团，并兼容多轮荧光染色标记，但这种方法通常存在成本高、耗时长、需要特定设备等问题。
图3.水凝胶法和代表性的CLARITY:(Kwanghun Chung,2013,nature)这项工作被评为Science“十大突破”之一
另辟蹊径的食品染料组织透明技术
除了上述传统的透明方式，2024年在《Science》上发表的一篇文章巧妙地利用洛伦兹振荡模型预测不同材料在特定频率下的光学行为。研究团队从大量染料材料中筛选出一种柠檬黄染料，发现其具有显著的组织透明效果。
图4.柠檬黄染料散色模型和活体小鼠腹部透明展示
(2024,Zihao Ou,Science)
不同于常用组织透明技术——利用化学试剂去除组织中的散射物质以实现透明度，该团队发现，仅通过物理方式将柠檬黄染料颗粒填充入组织间隙，即可实现折射率匹配，减少光学散色，从而实现透明。
值得注意的是，柠檬黄染料在常温下的溶解度较低，高浓度溶液的染料颗粒容易饱和析出，这反而可能导致组织透明度更低。此外，文献中提及柠檬黄染料在紫外和蓝色区域具有很强的吸收性，这一特定光谱范围的限制也是该方法应用的一个局限性。该研究还针对柠檬黄的活体代谢和安全性进行了广泛实验，展示了该透明染料在未来医学应用中的潜在价值。
光学组织透明技术联合厚组织3D成像技术能够有效规避薄切片过程中的形变与损失，更好地保留组织原始结构，再联合分子标记技术，可以更精准地呈现组织结构与分子定位，对大型样品（例如全脑、器官或大型模式生物）进行细胞级分辨率下结构解析与分子图谱绘制更加友好，空间组学也可基于透明化技术从二维层次上升到3D水平。
参考文献
Qi Y. S., et al. , “FDISCO: advanced solvent-based clearing method for imaging whole organs,” Sci. Adv. 5(1), eaau8355 (2019). 10.1126/sciadv.aau8355.
Hama, H. et al. Scale: a chemical approach for fluorescence imaging and reconstruction of transparent mouse brain. Nat. Neurosci. 14, 1481–1488 (2011).
Ueda, H.R., Ertürk, A., Chung, K. et al. Tissue clearing and its applications in neuroscience. Nat Rev Neurosci 21, 61–79 (2020).
Chung, K., Wallace, J., Kim, SY. et al. Structural and molecular interrogation of intact biological systems. Nature 497, 332–337 (2013).
Zihao Ou et al.,Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules.Science385,adm6869(2024).