近年來，組織透明化技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為生物醫(yī)學研究帶來了新的曙光。在生命科學的研究進程中，對生物組織內(nèi)部精細結(jié)構(gòu)和細胞間復雜關(guān)系的深入探究，始終是解鎖生命奧秘的關(guān)鍵所在。然而，生物組織的不透明性卻如同橫亙在科研道路上的巨石，極大地限制了研究的深度與廣度。組織透明化技術(shù)的應運而生，宛如一道曙光，為這一困境帶來了全新的解決方案。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
生物組織具有復雜的三維（3D）結(jié)構(gòu)，若想全面、深入地剖析其內(nèi)部的細胞組成、組織結(jié)構(gòu)以及細胞間的相互作用，獲取3D信息至關(guān)重要。光學顯微鏡具備出色的分辨率，理論上能夠清晰分辨組織中的細胞和亞細胞結(jié)構(gòu)，為微觀世界的研究提供了有力工具。但生物組織的不透明性成為了難以逾越的障礙，傳統(tǒng)的組織學方法受限于此，無法直接借助光學顯微鏡觀察組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

為了實現(xiàn)對組織內(nèi)部的觀察，傳統(tǒng)組織學通常將組織切割并制備成眾多切片，再分別進行觀察。這種方法不僅耗費大量時間和精力，而且在切片過程中極易破壞組織原本的三維結(jié)構(gòu)，導致獲取的信息存在局限性，難以完整呈現(xiàn)組織內(nèi)部的真實情況。例如，在研究大腦神經(jīng)回路時，切片觀察無法直觀展現(xiàn)神經(jīng)元之間復雜的連接關(guān)系，就像拆解了一幅拼圖，難以還原其全貌。這一困境迫切需要一種創(chuàng)新技術(shù)來突破，組織透明化技術(shù)便在這樣的背景下逐漸興起。

組織透明化技術(shù)旨在使光線能夠順利穿透目標組織，從而實現(xiàn)對整個樣本進行無需物理切片的3D觀察。但在實現(xiàn)這一目標的過程中，面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。從光學原理角度來看，光在組織內(nèi)傳播時，會遭遇強烈的散射和吸收現(xiàn)象。組織中的各種成分，如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸等，光學性質(zhì)差異較大，導致光在傳播過程中不斷改變方向，發(fā)生散射；同時，組織內(nèi)的色素，如血紅素、黑色素等，會吸收特定波長的光，進一步阻礙光的傳播。這些問題使得組織在光學顯微鏡下呈現(xiàn)出不透明的狀態(tài)，嚴重影響了成像質(zhì)量和觀察效果。如何有效降低光在組織內(nèi)的散射和吸收，成為組織透明化技術(shù)亟待解決的核心問題。

技術(shù)創(chuàng)新與應用
組織透明化技術(shù)在眾多領(lǐng)域都展現(xiàn)出了巨大的應用價值。在神經(jīng)科學領(lǐng)域，它為研究復雜的神經(jīng)回路提供了有力工具。借助該技術(shù)，科研人員能夠清晰地觀察到多巴胺回路、額葉皮層回路等神經(jīng)通路的完整結(jié)構(gòu)，深入了解神經(jīng)元之間的連接方式和信息傳遞機制，為探索大腦的奧秘奠定了堅實基礎(chǔ)。

在癌癥研究方面，組織透明化技術(shù)也發(fā)揮著不可或缺的作用。通過對腫瘤組織進行透明化處理，研究者可以從三維視角觀察癌細胞的分布、侵襲和轉(zhuǎn)移情況，分析腫瘤組織的異質(zhì)性，為癌癥的早期診斷、治療方案的制定以及藥物研發(fā)提供關(guān)鍵信息。對腫瘤組織進行透明化處理后，能夠清晰看到癌細胞在周圍組織中的浸潤范圍和轉(zhuǎn)移路徑，有助于醫(yī)生更準確地評估病情并制定個性化的治療方案。

研究結(jié)果：成就與挑戰(zhàn)并存
在對透明化組織進行三維成像時，常用的顯微鏡有共聚焦顯微鏡、多光子顯微鏡以及光片顯微鏡等。其中，光片顯微鏡在對大型透明化樣本進行快速三維成像方面具有獨特優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的線掃描顯微鏡相比，光片顯微鏡僅激發(fā)采集橫截面，有效避免了信號從切片平面外泄漏的問題，同時大大縮短了成像時間，提高了成像效率和質(zhì)量。

在進行成像實驗時，為了清晰地觀察到細胞或組織的特定結(jié)構(gòu)，需要對其進行適當?shù)臉擞洝３Ｓ玫臉擞浄椒ò�括利用轉(zhuǎn)基因、基因敲入動物等遺傳工具，以及使用病毒載體將標記物導入細胞。此外，采用小分子染料和抗體進行組織學染色也是常見的選擇。但在進行3D組織染色時，面臨著一個技術(shù)難題：染色探針需要穿透組織并與目標結(jié)合，然而傳統(tǒng)的二維染色方法簡單延伸到三維時，往往難以獲得均勻的染色效果。

為了解決這一問題，研究團隊進行了深入探索。發(fā)現(xiàn)組織具有與電解質(zhì)凝膠相似的物理化學性質(zhì)，基于這一發(fā)現(xiàn)，通過結(jié)合模擬組織的人工凝膠和計算機模擬，篩選出了更優(yōu)的3D染色條件，最終成功設計出了理想的3D染色方案“CUBIC-HistoVIsion（CUBIC-HV）”。該方案能夠使用各種抗體和染色劑對體積約為1cm³的3D組織標本（如整個小鼠大腦和人類大腦組織塊）進行均勻染色，使得在三維成像中能夠清晰地觀察到不同細胞類型和組織結(jié)構(gòu)的細節(jié)。

深遠意義與未來展望
在基礎(chǔ)研究層面，打破傳統(tǒng)組織學局限，使科研人員能以全新視角觀察生物組織三維結(jié)構(gòu)和細胞間關(guān)；在發(fā)育生物學中，通過對胚胎組織透明化處理與三維成像，可實時觀察胚胎發(fā)育時器官形成及細胞分化、遷移過程；在臨床應用上，能為癌癥、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等疑難病癥早期診斷提供更準確全面依據(jù)，通過對患者組織樣本透明化處理與三維分析，醫(yī)生可清晰觀察病變組織細微結(jié)構(gòu)變化，提升診斷準確性與早期發(fā)現(xiàn)率。在治療監(jiān)測方面，可用于評估藥物療效和疾病進展，如癌癥治療時，定期對腫瘤組織透明化分析，有助于醫(yī)生及時調(diào)整治療方案。

未來將技術(shù)優(yōu)化上，提高透明度、加快處理速度、減少組織損傷，同時提升成像分辨率和深度，結(jié)合人工智能實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)自動化分析，并將與基因編輯、蛋白質(zhì)組學、代謝組學等前沿技術(shù)深度結(jié)合。應用拓展不僅局限于生物醫(yī)學，還將向材料科學、植物學等領(lǐng)域延伸，為材料微觀結(jié)構(gòu)觀察、植物生長發(fā)育研究提供新視角。

聲明：本文僅用作學術(shù)目的。文章來源于：Susaki E A. Basics and applications of tissue clearing technology[J]. TCIMAIL, 2022, 189: 9-14.