客观日本

东大医学部实现肾脏透明化,在器官原始形态下实现荧光成像

2019年05月29日 生物医药

血液经肾脏滤过生成尿液,将身体中的代谢物排出体外,维持体液环境的动态平衡。尽管很早以前就意识到交感神经对肾脏复杂机能的控制起了关键性作用,但到目前为止很难获知肾脏内神经系统的精细三维构造。

东京大学医学部附属医院肾脏及内分泌内科长谷川颂医师、南学正臣教授,医学系研究科系统药理学上田泰己教授等开发出器官透明化的CUBIC技术,成功使实验小鼠的肾脏变得透明(图1)。再结合三维免疫染色技术,成功获取了整个肾脏的交感神经分布构造图谱。该研究成果已发表在2019年4月份的《Kidney International》上。

东大医学部实现肾脏透明化,在器官原始形态下实现荧光成像

图1 小鼠肾脏透明化

目前CT(computed tomography,计算机断层成像)和MRI(magnetic resonance imaging,核磁共振成像)作为内脏器官整体三维结构的常规观察手段,无法对特定功能的细胞进行标记和观察。而病理组织学切片可以借助显微镜来二维观察标记后的功能细胞,但又无法对器官的三维结构进行整体把握。CUBIC(Clear, Unobstructed Brain/Body Imaging Cocktails and Computational analysis)技术是由东京大学研究生院医学系研究科系统药理学洲崎悦生讲师和上田泰己教授等近年开发的,通过3D荧光成像和电脑图像解析技术等实现整个内脏器官的透明化。由此可以不用通过组织切片,在保持器官原始形态及各蛋白质抗原性的情形下实现荧光成像,观察器官的实际精细三维构造。

研究团队对交感神经特异性标记物络氨酸羟化酶进行免疫染色标记,然后通过光片荧光显微镜(Light Sheet Fluorescence Microscopy, LSFM)对肾脏进行了整体观察(图2)。传统宽场荧光显微镜通过物镜将激发光聚焦,同时收集样品的荧光信号成像,但此类显微镜因为引入额外光毒性容易影响被观测样品的生物活性和降低图像分辨率。过去二三十年间,激光扫描共聚焦显微镜一直是细胞水平及亚细胞水平生命现象研究的标准工具,但其基于针孔的光学层切是以牺牲焦平面以外的被激发荧光基团为代价,较宽场显微镜光漂泊和光毒性更严重。近几年新发展起来的光片荧光显微镜,采用侧向照明对样品直接进行面成像,成像速度极大提高,使得对三维器官高速精细活动过程的研究成为可能。

东大医学部实现肾脏透明化,在器官原始形态下实现荧光成像

图2 肾脏透明化标记后的交感神经(Sympathetic nerves)与动脉(Arteries)构造

根据实验结果,明确了肾脏内的交感神经完全环绕在动脉周围游走分布,并且证实了交感神经由此控制动脉的收缩机能。并直观地揭示了肾脏在缺血/再灌注损伤(IRI; ischemia/reperfusion injury,急性肾损伤,由于血流量一时间急剧下降后又突然恢复供血后对肾脏造成的损伤)后,交感神经功能异常也发生了长时间延迟(图3)。急性肾损伤转化为慢性肾脏病的机理还很多不明之处,但此次观察到的肾交感神经功能异常对病态转化的影响也可能是原因之一,值得进一步深入研究。

东大医学部实现肾脏透明化,在器官原始形态下实现荧光成像

图3 肾脏缺血/再灌注损伤后交感神经功能异常

研究团队不仅观察了交感神经与动脉的纠缠状态,还首次展示了集合管、近端小管、肾小球足细胞等整个肾脏其他精细构造的3D影像(图4)。这种CUBIC器官透明化技术与三维免疫染色技术配合使用的观察法,给科学家提供了前所未有的全新视角,有望成为未来肾脏及其他器官疾病研究的有力工具。

东大医学部实现肾脏透明化,在器官原始形态下实现荧光成像

图4 集合管(左)、近端小管(中)及肾小球足细胞(右)

供稿 宋傑 东京大学博士
编辑修改 JST客观日本编辑部

参考文献:
1.Sho Hasegawa, Etsuo A. Susaki, Tetsuhiro Tanaka, Hirotaka Komaba, Takehiko Wada, Masafumi Fukagawa, Hiroki R. Ueda, and Masaomi Nangaku. Comprehensive three-dimensional analysis (CUBIC-kidney) visualizes abnormal renal sympathetic nerves after ischemia/reperfusion injury. Kidney International. DOI:https://doi.org/10.1016/j.kint.2019.02.011

相关链接:
1.东京大学新闻稿

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