發(fā)布日期：2017-05-05

眼睛是心靈的窗戶。如果在骨骼上也有這樣的一扇窗戶，那么我們就能透視骨髓，能更好地研究其發(fā)育及相關疾病。如今，加州理工學院（California Institute of Technology）開發(fā)的一項新技術就可以使完整的骨骼“透明”，使研究人員能夠用光學顯微鏡直接透視觀察骨髓中的干細胞。這項發(fā)表于《科學》子刊《Science Translational Medicine》上的技術突破可以讓人們更好地測試骨質疏松癥等骨骼疾病藥物的療效。

在健康的骨骼中，新生骨質的成骨細胞（osteoblast）和分解舊骨質的破骨細胞（osteoclast）之間存在著動態(tài)而微妙的平衡。該過程由骨髓中的干細胞部分控制，后者即是骨祖細胞（osteoprogenitor）。骨祖細胞會分化成骨細胞和骨細胞，以對骨骼系統(tǒng)進行調節(jié)和維持。這一機制對骨骼的健康十分重要。骨質的持續(xù)性凈流失會增加發(fā)生骨折的風險，導致骨質疏松癥。為了有效應對這一疾病，我們必須研究骨髓中干細胞的行為。然而，這一個罕見的細胞群體，以一種不均勻的方式分布在整個骨骼中。

▲骨質的動態(tài)調節(jié)（圖片來源：《Nature Medicine》）

“由于骨骼干細胞群體的稀缺性，僅從幾份骨骼切片的觀察中是難以推斷出其總體的數量和位置的，”文章共同第一作者Alon Greenbaum博士說道：“另外，骨骼切片的取樣過程本身就會導致骨質流失，破壞骨骼中干細胞的所處復雜微環(huán)境，因此我們還是需要能在完整的骨骼組織內進行觀察。”

為了做到這一點，文章作者們采用了CLARITY技術。這一手段最初由當時還在斯坦福大學（Stanford University）進行博士后研究工作的Alon Greenbaum博士開發(fā)，可使得諸如大腦這樣的軟組織變得透明。CLARITY技術會從細胞中去除不透明的脂質分子，同時還輸入透明的水凝膠以提供結構支持。后來，Alon Greenbaum博士在加州理工的團隊擴大該技術的應用范圍，實現(xiàn)讓整個小鼠身體中的軟組織變得透明?，F(xiàn)在，該團隊決定更進一步，找到了讓骨骼這樣的硬組織透明化的方法，即Bone CLARITY。

▲Bone CLARITY技術的透視骨骼成像（圖片來源：《Science Translational Medicine》）

研究人員構建了骨祖細胞被紅色熒光標記的轉基因小鼠，使得這些Sox9-tdTomato+骨祖細胞得以被光學成像。就這樣，小鼠股骨、脛骨和脊柱的骨骼被取樣，每個樣品的長度約為幾厘米。接著，研究人員從骨骼去除鈣質，因為鈣質會使得骨組織不透明。之后，骨骼樣品被灌注入水凝膠，將蛋白質和核酸等細胞組分固定在其原有位置，并保留了樣品的結構。最后，他們用柔和的去垢劑流過整個骨骼樣品以洗去脂質，最終使骨骼變得透明。研究團隊還專門開發(fā)了一個定制的單層光顯微鏡（light-sheet microscope），以對被如此處理過的骨骼樣品進行快速且高分辨率的成像，以避免熒光信號的衰減。在骨骼樣品中，我們清楚的看到被紅色熒光標記的骨祖細胞。

為了將Bone CLARITY付諸藥物開發(fā)的實踐，研究者們與安進（Amgen）公司進行了合作，測試一種正在開發(fā)中的用于治療骨質疏松癥新藥，后者是靶向sclerostin蛋白的抗體。

“我們在安進的合作者提供了一種可增加骨質的在研新藥，”文章共同第一作者、在讀研究生Ken Y. Chan說：“然而，該藥對干細胞群體的影響還不清楚，我們認為它可能會促進干細胞的增殖。” 為了驗證這一點，研究人員給了一組小鼠施用了sclerostin抗體，然后用Bone CLARITY將其脊柱與對照組進行比較。“我們看到，這種藥物確實使干細胞的數量增加，”他說道：“監(jiān)測干細胞對這些藥物的反應是至關重要的，因為最初的干細胞增殖肯定是需要的，由于骨骼正在新生，但長期干細胞增殖則可能導致癌癥。”

此外，該技術還將有助于了解骨骼與身體其他部位的相互作用。

▲文章通訊作者Viviana Gradinaru教授（圖片來源：加州理工學院）

“生物學家們已經開始認識到，骨骼的作用不僅僅是結構支持，”文章通訊作者Viviana Gradinaru教授說道：“例如，來自骨骼的激素會被發(fā)送之大腦，以調節(jié)食欲。另外，頭骨和大腦之間的相互作用界面是神經科學領域的重要研究方向。我們希望，Bone CLARITY技術將在理解這些重要器官內在運作機制上創(chuàng)造新的突破。”

參考資料

[1] Bone CLARITY: Clearing, imaging, and computational analysis of osteoprogenitors within intact bone marrow

[2] Transparent bones enable researchers to observe the stem cells inside

來源：學術經緯