發(fā)布日期：2017-05-05
眼睛是心靈的窗戶。如果在骨骼上也有這樣的一扇窗戶，那么我們就能透視骨髓，能更好地研究其發(fā)育及相關(guān)疾病。如今，加州理工學(xué)院（California Institute of Technology）開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)就可以使完整的骨骼“透明”，使研究人員能夠用光學(xué)顯微鏡直接透視觀察骨髓中的干細(xì)胞。這項(xiàng)發(fā)表于《科學(xué)》子刊《Science Translational Medicine》上的技術(shù)突破可以讓人們更好地測試骨質(zhì)疏松癥等骨骼疾病藥物的療效。
在健康的骨骼中，新生骨質(zhì)的成骨細(xì)胞（osteoblast）和分解舊骨質(zhì)的破骨細(xì)胞（osteoclast）之間存在著動(dòng)態(tài)而微妙的平衡。該過程由骨髓中的干細(xì)胞部分控制，后者即是骨祖細(xì)胞（osteoprogenitor）。骨祖細(xì)胞會(huì)分化成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞，以對(duì)骨骼系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和維持。這一機(jī)制對(duì)骨骼的健康十分重要。骨質(zhì)的持續(xù)性凈流失會(huì)增加發(fā)生骨折的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥。為了有效應(yīng)對(duì)這一疾病，我們必須研究骨髓中干細(xì)胞的行為。然而，這一個(gè)罕見的細(xì)胞群體，以一種不均勻的方式分布在整個(gè)骨骼中。
▲骨質(zhì)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)（圖片來源：《Nature Medicine》）
“由于骨骼干細(xì)胞群體的稀缺性，僅從幾份骨骼切片的觀察中是難以推斷出其總體的數(shù)量和位置的，”文章共同第一作者Alon Greenbaum博士說道：“另外，骨骼切片的取樣過程本身就會(huì)導(dǎo)致骨質(zhì)流失，破壞骨骼中干細(xì)胞的所處復(fù)雜微環(huán)境，因此我們還是需要能在完整的骨骼組織內(nèi)進(jìn)行觀察。”
為了做到這一點(diǎn)，文章作者們采用了CLARITY技術(shù)。這一手段最初由當(dāng)時(shí)還在斯坦福大學(xué)（Stanford University）進(jìn)行博士后研究工作的Alon Greenbaum博士開發(fā)，可使得諸如大腦這樣的軟組織變得透明。CLARITY技術(shù)會(huì)從細(xì)胞中去除不透明的脂質(zhì)分子，同時(shí)還輸入透明的水凝膠以提供結(jié)構(gòu)支持。后來，Alon Greenbaum博士在加州理工的團(tuán)隊(duì)擴(kuò)大該技術(shù)的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)讓整個(gè)小鼠身體中的軟組織變得透明?，F(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)決定更進(jìn)一步，找到了讓骨骼這樣的硬組織透明化的方法，即Bone CLARITY。
▲Bone CLARITY技術(shù)的透視骨骼成像（圖片來源：《Science Translational Medicine》）
研究人員構(gòu)建了骨祖細(xì)胞被紅色熒光標(biāo)記的轉(zhuǎn)基因小鼠，使得這些Sox9-tdTomato+骨祖細(xì)胞得以被光學(xué)成像。就這樣，小鼠股骨、脛骨和脊柱的骨骼被取樣，每個(gè)樣品的長度約為幾厘米。接著，研究人員從骨骼去除鈣質(zhì)，因?yàn)殁}質(zhì)會(huì)使得骨組織不透明。之后，骨骼樣品被灌注入水凝膠，將蛋白質(zhì)和核酸等細(xì)胞組分固定在其原有位置，并保留了樣品的結(jié)構(gòu)。最后，他們用柔和的去垢劑流過整個(gè)骨骼樣品以洗去脂質(zhì)，最終使骨骼變得透明。研究團(tuán)隊(duì)還專門開發(fā)了一個(gè)定制的單層光顯微鏡（light-sheet microscope），以對(duì)被如此處理過的骨骼樣品進(jìn)行快速且高分辨率的成像，以避免熒光信號(hào)的衰減。在骨骼樣品中，我們清楚的看到被紅色熒光標(biāo)記的骨祖細(xì)胞。
為了將Bone CLARITY付諸藥物開發(fā)的實(shí)踐，研究者們與安進(jìn)（Amgen）公司進(jìn)行了合作，測試一種正在開發(fā)中的用于治療骨質(zhì)疏松癥新藥，后者是靶向sclerostin蛋白的抗體。
“我們在安進(jìn)的合作者提供了一種可增加骨質(zhì)的在研新藥，”文章共同第一作者、在讀研究生Ken Y. Chan說：“然而，該藥對(duì)干細(xì)胞群體的影響還不清楚，我們認(rèn)為它可能會(huì)促進(jìn)干細(xì)胞的增殖。” 為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，研究人員給了一組小鼠施用了sclerostin抗體，然后用Bone CLARITY將其脊柱與對(duì)照組進(jìn)行比較。“我們看到，這種藥物確實(shí)使干細(xì)胞的數(shù)量增加，”他說道：“監(jiān)測干細(xì)胞對(duì)這些藥物的反應(yīng)是至關(guān)重要的，因?yàn)樽畛醯母杉?xì)胞增殖肯定是需要的，由于骨骼正在新生，但長期干細(xì)胞增殖則可能導(dǎo)致癌癥。”
此外，該技術(shù)還將有助于了解骨骼與身體其他部位的相互作用。
▲文章通訊作者Viviana Gradinaru教授（圖片來源：加州理工學(xué)院）
“生物學(xué)家們已經(jīng)開始認(rèn)識(shí)到，骨骼的作用不僅僅是結(jié)構(gòu)支持，”文章通訊作者Viviana Gradinaru教授說道：“例如，來自骨骼的激素會(huì)被發(fā)送之大腦，以調(diào)節(jié)食欲。另外，頭骨和大腦之間的相互作用界面是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向。我們希望，Bone CLARITY技術(shù)將在理解這些重要器官內(nèi)在運(yùn)作機(jī)制上創(chuàng)造新的突破。”
參考資料
[1] Bone CLARITY: Clearing, imaging, and computational analysis of osteoprogenitors within intact bone marrow
[2] Transparent bones enable researchers to observe the stem cells inside
來源：學(xué)術(shù)經(jīng)緯
