麻省理工學院和布里格姆婦女醫院/哈佛醫學院的研究人員使用一種新的顯微鏡技術，對人類腦組織進行了比以往更詳細的成像，揭示了以前不可見的細胞和結構。

在他們的發現中，研究人員發現一些“低級別”腦腫瘤含有比預期更多的推定侵襲性腫瘤細胞，這表明這些腫瘤中的一些可能比以前認為的更具侵襲性。

研究人員希望這項技術最終可以用于診斷腫瘤，產生更準確的預后，并幫助醫生選擇治療方法。

“我們開始看到神經元和突觸與周圍大腦的相互作用對腫瘤的生長和進展有多重要。Pablo Valdes說:“很多東西是我們用傳統工具無法看到的，但現在我們有了一種工具，可以在納米尺度上觀察這些組織，并試圖理解這些相互作用。”Chiocca曾是麻省理工學院的博士后，現在是德克薩斯大學醫學分部的神經科學助理教授，也是這項研究的主要作者。

麻省理工學院Y. Eva Tan神經技術教授Edward Boyden和生物工程、媒體藝術與科學、大腦與認知科學教授;霍華德休斯醫學研究所研究員E. Antonio Chiocca是這項研究的資深作者，該研究今天發表在《科學轉化醫學》(Science Translational Medicine)雜志上。

使分子可見

新的成像方法基于擴展顯微鏡，這是Boyden實驗室在2015年開發的一種技術，基于一個簡單的前提:研究人員設計了一種擴展組織本身的方法，而不是使用功能強大，昂貴的顯微鏡來獲得高分辨率圖像，從而可以用常規光學顯微鏡以非常高的分辨率對其成像。

該技術的工作原理是將組織嵌入一種聚合物中，這種聚合物在加入水后會膨脹，然后軟化并分解通常將組織結合在一起的蛋白質。然后，加水使聚合物膨脹，使所有的蛋白質相互分離。這種組織放大使研究人員能夠獲得分辨率約為70納米的圖像，而以前只有非常專業和昂貴的顯微鏡(如掃描電子顯微鏡)才能做到這一點。

2017年，Boyden實驗室開發了一種擴大保存的人體組織標本的方法，但他們使用的化學試劑也破壞了研究人員有興趣標記的蛋白質。在擴增前用熒光抗體標記蛋白，擴增完成后可以可視化蛋白的位置和身份。然而，通常用于這種標記的抗體在組織膨脹之前不能輕易地擠過密集的組織。

因此，在這項研究中，作者設計了一種不同的組織軟化方案，可以分解組織，但保留樣本中的蛋白質。組織擴張后，可以用市售的熒光抗體標記蛋白質。然后，研究人員可以進行幾輪成像，每輪標記三到四種不同的蛋白質。這種對蛋白質的標記使更多的結構能夠被成像，因為一旦組織擴張，抗體就可以擠進去，標記它們以前無法到達的蛋白質。

“我們打開了蛋白質之間的空間，這樣我們就可以讓抗體進入擁擠的空間，否則我們無法做到，”Chiocca說。“我們看到我們可以擴大組織，我們可以減少蛋白質的數量，我們可以通過多輪染色在同一組織中成像很多很多蛋白質。”

研究人員與麻省理工學院助理教授Deblina Sarkar合作，在2022年用小鼠組織展示了這種“擁擠”的一種形式。

這項新研究產生了一種用于臨床病理診斷和指導治療決策的人腦組織樣本的擁擠技術。這些樣本可能更難處理，因為它們通常被包裹在石蠟中，并且在組織膨脹之前需要用其他化學物質進行處理。

在這項研究中，研究人員為每個組織樣本標記了多達16種不同的分子。他們的目標分子包括各種結構的標記，包括軸突和突觸，以及識別細胞類型的標記，如星形膠質細胞和形成血管的細胞。他們還標記了與腫瘤侵襲性和神經變性有關的分子。

使用這種方法，研究人員分析了健康的腦組織，以及來自兩種膠質瘤患者的樣本-高級別膠質母細胞瘤，這是最具侵襲性的原發性腦腫瘤，預后較差，低級別膠質瘤，被認為侵襲性較低。

“我們想研究腦腫瘤，這樣我們就可以在納米水平上更好地了解它們，并通過這樣做，能夠在未來開發更好的治療和診斷方法。”在這一點上，更重要的是開發一種工具來更好地理解它們，因為目前在神經腫瘤學中，人們在超分辨率成像方面做得還不多，”Valdes說。

診斷工具

為了識別他們研究的膠質瘤中的侵襲性腫瘤細胞，研究人員標記了vimentin，這是一種在高度侵襲性膠質母細胞瘤中發現的蛋白質。令他們驚訝的是，他們在低級別膠質瘤中發現了比使用任何其他方法所看到的更多表達vimentin的腫瘤細胞。

Chiocca說:“這告訴我們一些關于這些腫瘤的生物學知識，特別是，它們中的一些可能比你通過標準染色技術所懷疑的更具侵襲性。”

當膠質瘤患者接受手術時，腫瘤樣本被保存并使用免疫組織化學染色進行分析，這可以揭示某些侵襲性標志物，包括本研究中分析的一些標志物。

“這些都是無法治愈的腦癌，這種類型的發現將使我們能夠找出哪些癌癥分子為目標，這樣我們就可以設計更好的治療方法。這也證明了像我們這樣的布里格姆婦女醫院的臨床醫生與麻省理工學院的Ed Boyden等基礎科學家互動，發現可以改善患者生活的新技術的深遠影響，”Chiocca說。

研究人員希望他們的擴展顯微鏡技術可以讓醫生更多地了解病人的腫瘤，幫助他們確定腫瘤的侵襲性，并指導治療選擇。Valdes現在計劃對腫瘤類型進行更大規模的研究，試圖建立基于該技術可以揭示的腫瘤特征的診斷指南。

他說:“我們希望這將成為一種診斷工具，可以發現標記細胞、相互作用等，這是我們以前無法做到的。這是一個實用的工具，將幫助神經腫瘤學和神經病理學的臨床世界前所未有地在納米尺度上研究神經系統疾病，因為從根本上說，它是一個非常簡單的工具。”

Boyden的實驗室還計劃用這項技術來研究健康和患病組織中大腦功能的其他方面。

“能夠進行納米成像是很重要的，因為生物學是關于納米尺度的東西——基因、基因產物、生物分子——它們在納米尺度的距離上相互作用，”Boyden說。“我們可以研究各種納米級的相互作用，包括突觸變化、免疫相互作用以及癌癥和衰老過程中發生的變化。”