2 月 28 日訊，還記得讓大家驚嘆不已的“看清全身所有癌癥轉(zhuǎn)移灶”嗎？搞出這種震撼畫面的德國組織工程和再生醫(yī)學(xué)研究所研究團(tuán)隊，時隔兩個多月又放出了大招。
近年來生物學(xué)家已經(jīng)獲得了小鼠某些器官的完整細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖，可是使用的方法不適用于人體器官。因為人類器官比小鼠器官生長的年限長得多，里面的膠原成分已經(jīng)長了幾年甚至幾十年，用于讓小鼠器官透明的藥劑不足以讓人類器官變得透明。
這項由德國亥姆霍茲研究中心協(xié)會（Helmholtz Association of German Research Centres）組織的研究，經(jīng)過多次嘗試，終于找到一種名為 CHAPS 的藥劑，先在人類器官上打出很多洞，再用另一種藥液注入器官內(nèi)部，把器官變成透明的結(jié)構(gòu)。這份研究使用的是死者的器官。
之后，研究組還發(fā)明了一種能容納整個器官進(jìn)行掃描的激光掃描顯微鏡，能掃描大如人體腎臟的器官。接下來，使用合作方德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)（Technical University of Munich）提供的一套人工深度學(xué)習(xí)算法，分析數(shù)億張三維細(xì)胞圖片。
研究人員表示，這項技術(shù)很快將發(fā)展成掃描人體完整器官的主流技術(shù)，將顯著提升研究人員對大腦這樣器官的功能性健康和疾病的認(rèn)知。
人體器官細(xì)胞圖還是將來三維生物打印的重要基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，慕尼黑路德維希·馬克西米利安大學(xué)（Ludwig Maximilian University，LMU）的埃爾圖克（Ali Ertürk）和同事正在從胰腺、心臟和腎臟這些人體的主要器官著手制圖。
“幾十萬人都面臨器官短缺的問題，”埃爾圖克說，“等待時間和移植成本是大問題。人體器官細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖為我們實現(xiàn)按需制造器官的目標(biāo)邁進(jìn)了重要的一步。”
在最新一期的《細(xì)胞》上，Ali Ertürk 教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊發(fā)表論文，介紹了一種名為 SHANEL 的全新技術(shù)，這種技術(shù)讓人類第一次在細(xì)胞層面，對人體各種器官實現(xiàn)了快速、完整的組織透明化！
這意味著什么呢？小到組織切片，大到完整的人體器官，都能在這種技術(shù)下變得完全透明化，科學(xué)家們能夠?qū)⑵鞴僦械拿恳粋€細(xì)微之處，都在 3D 圖像上精確到細(xì)胞水平，而且速度也比過去大幅提升了！
SHANEL 技術(shù)的誕生，能夠加速人類對人體器官的了解，甚至有望為傳說中的 3D 打印人體器官鋪路！
是不是很科幻，很酷炫呢？下面奇點糕就來說說這項技術(shù)的原理吧。
想要毫無阻礙地從細(xì)胞層面觀察人體器官，需要解決很多問題。有人可能會問，不是可以做組織切片，在顯微鏡下去看嗎？那是不知道組織透明化（Tissue Clearing）有多費事。
過去想要讓厚度超過 1 毫米的切片透明，都相當(dāng)費時費力，直到近幾年，才有一些新技術(shù)突破了厚度的瓶頸，但制備好一片厚度 8 毫米的人腦切片，就得需要 10 個月的時間[2]。
問題的關(guān)鍵是什么呢？是人體器官周圍堆積的不可溶性膠原蛋白、脂褐素等物質(zhì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于小鼠之類的動物，這嚴(yán)重阻礙了化學(xué)染料的穿透。連讓器官透明化都難，就更別說實現(xiàn)分子標(biāo)記、輔助成像了。
用本次論文第一作者 Zhao Shan 的話說，“我們必須徹底改變方法，從零開始尋找讓人體器官透明的化學(xué)物質(zhì)”。研究團(tuán)隊找到了一種簡稱 CHAPS 的組織清洗劑，它可以聚集成小膠束，快速穿透和清除器官周圍致密的屏障。
SHANEL 的全稱——小膠束介導(dǎo)的人體器官透明化和標(biāo)記（small-micelle-mediated human organ efficient clearing and labeling），就是來自 CHAPS 形成的這個小膠束。
在豬腦等器官的實驗證實了初步的效果后，接下來研究人員用人的大腦進(jìn)行了 CHAPS 清洗劑的最終測試。
花費 4 個月的時間和約 3200 歐元的費用后，大腦第一次“見了光”，清晰、透光，3D 圖像的重建也變成了現(xiàn)實。
不過有了新技術(shù)，還要解決一系列的新問題，比如小分子熒光染色和抗體標(biāo)記手段，過去用在毫米級組織切片上的東西，放到厚度厘米級的完整器官上，就得與時俱進(jìn)，研究團(tuán)隊都做了相應(yīng)的改進(jìn)。
解決了標(biāo)記和染色，接下來就是顯微鏡的問題，總不能把一整個大腦搬到現(xiàn)有的顯微鏡下觀察吧？就算切成厘米級的切片，也超越了普通顯微鏡的能力。
研究團(tuán)隊找出了一種名叫原型光片顯微鏡（Prototype light-sheet microscope）的大家伙，它的容積可以直接放置經(jīng)過 CHAPS 處理后的甲狀腺、腎臟等整個器官。
最后為了分析和處理 SHANEL 技術(shù)帶來的龐大信息量，研究團(tuán)隊借助了深度學(xué)習(xí)算法，實現(xiàn)了在幾小時內(nèi)，完成對每部分腦切片（約 1.5 厘米厚）中，1000-2200 萬個腦細(xì)胞的分類和圖像繪制。
費了這么多功夫，SHANEL 技術(shù)當(dāng)然也要派上大用場。研究團(tuán)隊在論文中舉了一個例子，像是 2 型糖尿病當(dāng)中，胰島在細(xì)胞層面發(fā)生的微觀改變，靠現(xiàn)有的手段還很難整體分析，但是 SHANEL 技術(shù)就可以完整繪圖，清晰判斷。
目前研究團(tuán)隊已經(jīng)開始把這項技術(shù)，用于胰臟、心臟、腎臟等較大器官的 3D 圖譜繪制，Ali Ertürk 教授認(rèn)為，只有在細(xì)胞層面把這些器官徹底了解，才能解決人工制造器官的問題，從而為 3D 生物打印器官用于器官移植鋪路[3]。