华中科技大学朱䒟/俞婷婷最新Nature子刊

对不同生物成分的全脑分析是理解复杂脑病理的基础。尽管全脑成像是可行的，但利用现有的组织清除技术进行多路、全脑分析仍然具有挑战性。

近日，华中科技大学朱䒟及俞婷婷共同通讯在Nature Communications在线发表题为“SOLID: minimizing tissue distortion for brain-wide profiling of diverse architectures”的研究论文，该研究提出了SOLID，一种疏水组织清除方法，可以最大限度地减少组织畸变，同时提供令人印象深刻的清除性能。

SOLID实现了对多色标记小鼠大脑的高质量成像，获取的数据集可以通过常用算法有效地注册到Allen Brain Atlas中。SOLID能够在一个小鼠大脑内生成神经和血管图，以及追踪带有病毒标记的特定神经投影。SOLID还允许在重建的一体化全景图中对β-淀粉样蛋白斑块和神经血管病变进行跨通道调查，为阿尔茨海默病不同阶段的结构相互作用提供了见解。总之，SOLID为全脑成像提供了一个强大的管道，这可能会扩大组织清理技术在不同神经科学研究中的应用。

哺乳动物的大脑是一个由多种细胞回路组成的高度复杂的系统。精确标注和鉴定不同的生物成分对于深入了解复杂的脑功能和不同脑疾病的致病机制至关重要。近年来，组织清除技术的实质性进展，以及现代荧光标记技术和光片成像技术的整合，使荧光标记结构在细胞水平上的全脑成像成为可能。迄今为止，基于不同的策略，已经开发了各种组织清除方法。基于溶剂的方法，也称为疏水清除方法，可以在短时间内实现最高的组织透明度。近年来，一些先进的基于溶剂的方法被开发出来，如uDISCO、iDISCO+、PEGASOS、FDISCO、vDISCO、wildDISCO和SHANEL。基于水的方法通常是指亲水性和基于水凝胶的方法，如CUBIC/F-CUBIC，CLARITY，SHIELD，OPTIClear/Accu-OptiClearing，EZClear, Ce3D和MACS，允许更少的组织失真和更好地保存内源性信号。迄今为止，基于溶剂和水的清除方法已经成为哺乳动物大脑内各种生物事件的3D可视化的有价值的工具。

尽管全脑成像取得了成功，但某些挑战阻碍了基于大多数组织清除技术获得的大脑数据集对所需结构的进一步全脑分析。这些挑战可能很大程度上归因于现有组织清除技术的局限性，这些技术导致在实现可靠的配准以定义潜在大脑结构的解剖边界方面存在巨大困难。例如，基于溶剂的方法通常允许高质量的全脑成像和完全透明。然而，由于彻底脱水导致的组织扭曲阻碍了成像数据与共同参考脑图谱的注册，这是进行全脑量化的第一步也是最关键的一步。尽管许多基于水的方法允许在清除后保持组织大小，但有限的透明度大大降低了脑深部区域的图像质量，导致缺乏配准和量化所需的重要细胞信息。为了克服组织清除技术在脑图谱应用中的障碍，研究人员使用了磁共振成像(MRI)重建、深度学习、组织扩增或全挂免疫标记，并基于不同的组织清除管道，成功地对即时早期基因(IEGs)、血管系统或细胞群体进行了全脑分析。然而，由于需要定制仪器、高度专业化的机器学习框架和难以负担的3D免疫标记，上述技术在常规实验中的应用门槛较高。此外，现有的研究已经报道了具有两个或更多通道的单一结构(例如脉管系统)的识别。鉴于可见范围内的通道数量相当有限，这可能会阻碍对同一大脑内不同结构的多色成像和跨通道分析。

开发SOLID管道有效的组织清理和成像与最小的组织收缩（图源自Nature Communications）

研究开发了SOLID(基于1,2-己二醇[1,2-HxD]混合物同步脱水/脱脂处理的抑制组织畸变)来克服上述问题。SOLID是一种多功能的组织清理方法，用于健康和患病大脑内的多色可视化和多种结构的全局分析。我们通过设计一系列分级的1,2-HxD溶液，有效地将组织脱脂与组织脱水结合起来，成功地补偿了梯度脱水导致的严重组织萎缩。因此，SOLID不仅具有完全的组织透明度和良好的荧光保存，而且对各种组织的畸变也最小。由于这些独特的优势，SOLID可以在细胞分辨率下对整个小鼠大脑进行多色成像，并使用一系列现成的管道将成像数据注册到参考脑图谱(Allen Brain Atlas[ABA])上进行全脑分析。基于多色数据集，研究使用SOLID生成带有ABA标准解剖注释的神经和血管图。此外，对来自特定大脑区域的逆行和顺行神经投射进行了全脑分析，这些区域被标记为病毒。值得注意的是，在小鼠模型中证明了SOLID在评估阿尔茨海默病(AD)进展过程中多个结构的拓扑重塑方面的适用性。研究的结果表明，SOLID显著降低了具有区域注释的不同结构的全脑映射的阈值。因此，SOLID可以增强组织清除技术在多种神经科学应用中的实用性，例如基因表达模式评估、大脑区域解剖和所需神经回路的定位。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-52560-7