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麻省理工使组织——比如人脑——具有可伸缩、

更新时间:2020-07-05 23:51点击:

被称为ELAST的化学过程使标记探针注入的速度更快,并使样品足够坚硬,可以反复处理。

当有一个棘手的问题需要解决时,人们有时会给出一些比喻性的建议,比如拓展思维。或从事灵活的工作但在面对许多生物医学研究实验室面临的问题时,麻省理工学院的一组研究人员设计了一个更实际的解决方案。为了使大脑和其他大型组织中的成像细胞和分子变得更容易,同时也使样本在实验室中处理多年的硬度足够高,他们提出了一种化学方法,使组织具有可拉伸、可压缩和几乎坚不可摧的特性。

“没有,ELAST”发表在《自然方法》上的一篇新论文中提到,科技为科学家提供了一种非常快速的荧光标记细胞、蛋白质、遗传物质和大脑、肾脏、肺、心脏和其他器官中的其他分子的方法。这是因为当这样的组织可以被拉伸或压薄时,标记探针可以更快地将其注入体内。这篇论文中的几个例子表明,即使经过多次的扩张或压缩来加速标签,除了新的标签外,组织也会迅速恢复到原来的形态。

Kwanghun涌的实验室,化学工程的副教授和MIT&rsquo成员;医学工程和科学研究所,Picower研究所学习和记忆,过去在工作五年项目开发,由美国国立卫生研究院的资助,使整个人类大脑的最全面的地图。这就需要在尽可能厚的平板上标记和扫描每一个细微的细胞和分子细节,以保持3D结构。这也意味着实验室必须能够将样品完好无损地保存数年,即使他们必须快速高效地完成无数次单独的标签工作。每一轮贴标签;今天可能是一种特殊的神经元,明天可能是一种关键的蛋白质。将告诉他们一些关于大脑结构和工作原理的新知识。

当人们捐赠他们的大脑时,就像捐赠图书馆一样。钟说。每一个都包含了一个图书馆的信息量。你不能同时使用图书馆里的所有书籍。我们必须不断地在不损坏图书馆的情况下进入图书馆。每个人的大脑都是极其宝贵的资源。

前实验室博士后、现任韩国科学技术高等研究院助理教授的Ku Taeyun是这项研究的第一作者。他说,研究人类组织的特别困难,当然,人体组织要比像老鼠这样的实验室动物大得多,这激发了他采取这种新的工程方法。2017年圣诞节的一个深夜,在实验室里,他正在思考如何将组织转化为更快的标签,并开始对弹性凝胶的反复压缩进行修补。

我们改变了我们的思维方式:生物组织不需要非常生物化,Ku说。如果我们的目标不是对生活事件进行成像,而是对表象进行成像,我们可以在保持表象的同时改变组织的物质类型。我们的工作显示了大脑的高层次工程如何使我们更好地了解大脑内部。

这个团队设计ELAST的努力归结为找到一种叫做聚丙烯酰胺的凝胶状化学物质的正确配方。该研究的合著者、化学工程专业的研究生韦伯斯特·关(Webster Guan)说,在过去,钟曾用不同配方的这种物质与交联化学物质一起使用,使组织变得坚韧而脆弱。当这种配方注入组织后,细胞和分子会直接附着在网状结构上。

在新的配方中,研究小组使用了高浓度的丙烯酰胺,其交联剂和引发剂要少得多。其结果是,长聚合物链与能够滑动的链结缠绕在一起,使凝胶具有结构完整性,但具有更大的灵活性。此外,Guan说,组织的细胞和分子并没有附着在链上,而是与链缠绕在一起,这进一步增强了注入丙烯酰胺的组织承受拉伸或挤压的能力,而不会在这个过程中撕裂或永久移位。

在研究中,研究小组报告说,将人类或小鼠的脑组织同时拉伸到其宽度和长度的两倍,或将其厚度压缩到原来的10倍而几乎没有变形。

这些结果表明,ELAST能够在保留组织结构和分子信息的同时,实现完全可逆的组织形态转化。他们写道。

完全将聚丙烯酰胺集成到大量的组织来实现弹性可以只要21天,他们的报告,但从那时起,任何个人标签的步骤,如标签某种特定的细胞来确定它的丰富,或一个特定的蛋白质表达的地方,可以继续远快于先前的方法。

在一个案例中,通过反复压缩一个5毫米厚的人脑横截面,研究小组只需要24小时就能将其全部标记出来。相比之下,2013年钟和同事们首次亮相《CLARITY》的时候,一种使脑组织透明并用丙烯酰胺凝胶固定的方法,他们需要24小时来标记只有十分之一厚的切片。由于标记时间是通过将探针必须穿透的深度平方来估计的,计算表明ELAST标记的速度比CLARITY快100倍。

Chung说,虽然Chung的实验室主要关注大脑,但对其他器官的应用可以帮助绘制其他细胞图谱。他补充说,即使给组织贴上标签根本不是一个目标,有一种简单的新方法来制造耐用、有弹性的凝胶也可能有其他应用,比如在制造软机器人方面。欲了解更多有关ELAST的资料,请浏览重庆网站。

除了顾、关和钟,该论文的其他作者还有尼古拉斯·埃文斯、张浩松、亚历山大·阿尔巴内塞、金俊刚,以及麻省总医院和哈佛医学院的教授马修·弗罗施。

参考文献:用于可逆形状变换的弹性组织和加速分子标签作者:Ku Taeyun, Webster Guan, Nicholas B. Evans, Chang Ho Sohn, Alexandre Albanese, Joon-Goon Kim, Matthew P. Frosch和Kwanghun Chung, 2020年5月18日,Nature Methods。

DOI: 10.1038 / s41592 - 020 - 0823 - y

这项工作的资金来源包括:JPB基金会、国立卫生研究院、NCSOFT文化基金会、Searle学者计划、帕克德科学与工程奖、NARSAD青年研究者奖和麦克奈特基金会技术奖。