神经科学家设计新技术以保护生物组织

MIT研究人员使用新的组织保护技术在称为Globus pallidus externa的脑区标记和图像神经元。表达称为帕瓦尔白蛋白的蛋白质的神经元在红色中标记，并且标记为蓝色表达蛋白质称为GAD1的神经元。图像：Young-Gyun Park，Changho Sohn，Ritchie Chen和Kwangun Chung

麻省理工学院化学工程师和神经科学家已经设计了一种新的途径来保护生物组织，使它们可视化细胞内的蛋白质，DNA和其他分子，并映射神经元之间的连接。

研究人员表明，它们可以使用这种称为盾牌的方法，以追踪神经元在大脑中有助于控制整个大脑中其他神经元的内核之间的连接。

“首次使用我们的技术，我们能够在单细胞分辨率下映射这些神经元的连接，”化学工程助理教授兼医学医学工程和科学与科学院学会成员学习和记忆研究所。“我们可以以完全综合的方式从同一组织中获取所有这些多尺寸信息，因为盾牌我们可以保护所有这些信息。”

Chung是本文的高级作者，该论文将在12月17日出现的自然生物技术问题。本文的引导作者是MIT Postdocs Young-Gyun Park，Chang Ho Sohn和Ritchie Chen。

钟现已领导来自几个机构的研究人员团队，最近获得了国家卫生机构授予的院校，以利用这种技术生产整个人类大脑的三维地图。“我们将在MGH，普林斯顿塞巴斯蒂安SEUNG集团的MGH，Sebastian Seung Group的MGOR的Matthew Frosch集团和MIT LINCOLN LAB的Laura Brattain Group，尚未生成最全面的脑地图，”他说。

保留信息

除非采用措施保护组织免受损伤，否则脑组织非常细腻，否则不能易于研究。钟和其他研究人员以前开发了允许它们保留脑组织的某些分子组分的技术，用于研究，包括蛋白质或信使RNA，这显示出该基因的开启。

然而，钟说：“没有良好的方法可以保护一切。”

钟和他的同事假设它们可能能够使用称为聚环氧化物 - 反应性有机分子的分子来更好地保护组织，该分子通常用于产生胶水。他们测试了几种商业上可获得的聚环氧化物，并发现一个具有独特结构性状的人，使其理想地适合其目的。

它们选择的环氧化物具有柔性骨架和五个分支，每种分支可以与某些氨基酸（蛋白质的建筑物块）以及其他分子如DNA和RNA结合。柔性骨架允许环氧化物沿着靶分子结合几个斑点，并形成与附近的生物分子的交联。这使得敏感的生物分子和整个组织结构非常稳定，耐热，酸或其他有害药物的损坏。屏蔽还保护生物分子的关键特性，例如蛋白质荧光和抗原性。

为了保护大规模的脑组织和临床样本，研究人员将屏蔽与开关组合，另一种技术，他们开发了控制化学反应速度。他们首先使用开关缓冲液，该缓冲液停止化学反应，得到环氧化物时间以通过整个组织扩散。当研究人员将样品移动到接通条件时，环氧化物开始与附近的分子结合。

为了加速屏蔽保护组织的清算和标记过程，研究人员还应用了一种随机改变的电场，它们先前所示增加了分子的运输速率。在本文中，他们表明，从保存到活检组织标记的整个过程可以在短短四小时内进行。

“我们发现，这种盾牌涂层使蛋白质保持稳定对抗恶劣的压力，”钟说。“因为我们可以保护我们想要的所有信息，我们可以在多个阶段提取它，我们可以更好地了解生物组件的功能，包括神经电路。”

一旦组织被保留，研究人员可以标记各种不同的靶标，包括细胞产生的蛋白质和mRNA。它们还可以应用诸如钟于2016年开发的地图等技术，以扩展组织并以不同尺寸的尺度映像。

在本文中，研究人员在圣地亚哥加州大学的旁天康·利姆的集团合作，用盾牌来映射突出的脑电图（GPE），其中大脑基底神经节的一部分。该地区涉及电机控制和其他行为，是深脑刺激的目标之一 - 一种有时用于治疗帕金森病的电刺激。在小鼠大脑中，钟和他的同事能够追踪GPE中神经元与大脑的其他部分之间的连接，并计算这些神经元之间的推定突触连接的数量。

更好的活组织检查

Chung说，盾构组织处理的速度也适用于执行患者组织样本的快速，更丰富的活组织检查。目前的方法需要将组织样品与石蜡嵌入，切割它们，然后施加污渍，可以揭示细胞和组织异常。

“当前的组织诊断方式在数十年中没有发生变化，并且该过程需要数天或几周，”钟说。“使用我们的技术，我们可以快速地处理完整的活检样本和免疫标记，并用真正的临床相关的抗体，然后以高分辨率图像在三个方面上映像。一切都可以在四个小时内完成。“

在本文中，研究人员表明，它们可以用靶向增殖癌细胞的抗体标记小鼠肾脏肿瘤。

“组织样品中生物信息的稳定和保存对于光学显微镜的实验中是必不可少的，”斯坦福大学生物学教授Liqun Luo说，他没有参与研究。“盾牌的实现不是一个类别的大进步，而是通过当今最佳标签和成像协议规定的恶劣技术处理样本来处理蛋白质。 “

麻省理工学院团队希望使这项技术广泛可用，已经将其分发给世界各地的50多名实验室。该研究由Burroughs Wellcome基金职业奖资助科学界面，SEARLE学者计划，科学与工程奖，NARSAD年轻调查员奖，麦肯末基金会奖，JPB基金会和NCSOFT文化基础，和国家卫生研究院。

出版物：Young-gyun Park等，“保护组织物理化学特性使用多功能交联剂，”自然生物技术2018