麻省理工学院的化学工程师和神经科学家开发出一种新方法，通过标记和成像每个细胞中的蛋白质来对神经元进行分类。研究人员表示，这类成像能为每个神经元的功能提供线索，有望助力绘制人类大脑图谱。
“每个细胞都使用独特的蛋白质组合，这基本上就是一个指纹，”Kwanghun Chung说。他是化学工程系Samuel A. Goldblith助理教授，也是麻省理工学院医学工程与科学研究所（IMES）和Picower学习与记忆研究所的成员，并担任该研究团队的负责人。“如果你能观察多种蛋白质的表达模式，就能推断每个细胞的类型及其功能。”
借助这一方法，研究人员得以在人类脑片中可视化22种不同的蛋白质，但该方法可扩展至分析更多蛋白质和更大的组织样本。这有望帮助科学家进一步了解疾病如何改变脑部化学环境。
“现在，研究人员将能够研究疾病模型与正常动物大脑之间的差异，同时观察可能多达数十种不同的分子。这非常重要，因为不同大脑之间的个体差异，使得在数十个样本之间逐一观察这些相同分子时，很难建立可靠的关联，”研究生Evan Murray说。他是描述该技术的论文的主要作者之一，该论文发表于12月3日出版的 《Cell》期刊。
论文的其他主要作者包括研究生Jae Hun Cho、Daniel Goodwin和Justin Swaney，以及博士后研究员Taeyun Ku。
标记、冲洗、重复
这项名为SWITCH的新技术的关键进展在于，能够以可反复成像的方式保存组织，并且每次标记不同的蛋白质。
为此，研究人员设计了一种方法，用于控制组织保存和标记所需的化学反应。这使他们能够先保存组织，然后标记某种蛋白质并对其进行成像。随后，他们可以洗去标记分子，再标记另一种蛋白质，如此反复。
控制化学反应需要一对缓冲液，即弱酸和弱碱的溶液，用于改变组织的环境。其中一种名为SWITCH-Off的缓冲液可使组织中的大多数化学反应停止，而SWITCH-On缓冲液则使这些反应得以恢复。
制备组织样本时，研究人员首先加入SWITCH-Off缓冲液，随后加入组织保存所需的化学物质，其中最重要的是戊二醛。由于这些化学物质不会与任何细胞发生反应，它们能够均匀扩散至整个样本。“这些化学物质就像处于隐身模式，不会被组织检测到，”Chung说。
当研究人员加入SWITCH-On缓冲液时，戊二醛会形成凝胶，从而保存组织。研究人员还加入去污剂以分解细胞膜中的脂质，使细胞内部在光学显微镜下更加清晰可见。
组织保存完毕并准备成像后，研究人员再次加入SWITCH-Off缓冲液。在组织处于非反应状态时，他们加入抗体或染料等标记物，这些标记物可以定制，用于检测的不仅是蛋白质，还包括DNA、神经递质或脂质。标记物扩散穿过组织后，加入SWITCH-On缓冲液可使所有细胞同时接触到标记物。
蛋白质分析
在《Cell》的研究中，研究人员在一小块人类脑组织（约3毫米×3毫米×0.1毫米）中标记了22种不同的蛋白质。经过22轮标记后，组织仍保持良好状态，因此研究人员认为，该技术可用于对更多蛋白质进行成像。
他们还检测了人类视觉皮层组织中六种蛋白质的分布，并能够标记和成像连接大脑不同区域的髓鞘纤维。“如果你能将这些纤维可视化，就能真正理解大脑连接性，以及支配这些‘线路’如何形成和连接的基本规律，”Chung说。
可成像的组织尺寸仅受限于标记蛋白质和对样本成像所需的时间。
每种标记分子在一立方厘米大小的组织样本中扩散约需一个月，但Chung及其同事最近 报告 称，在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上发表的研究中，他们可以通过让组织暴露于随机变化的电场中，大幅加快这一过程。这将扩散时间缩短至约一天。
成像时间取决于所用显微镜的类型。在本研究中，研究人员使用了光片显微镜，其成像速度比传统光学显微镜快约100倍。使用该显微镜对整个小鼠大脑成像约需两小时，而使用传统显微镜则需约三天。
“还有其他进行蛋白质组成像的方法，但其中许多是二维的，或不可扩展，或需要专用设备，”Chung说。“但有了这项技术，任何人都可以做到，而且它是可扩展的。”
马萨诸塞大学医学院神经学系主任Robert Brown表示，这项新技术属于“基于对生化结构精细操控的新一代成像技术”的一部分。
“这非常了不起，因为它允许人们在同一细胞中同时寻找多个靶标，并具有三维分辨率，而这是以往成像方法无法实现的，”他补充道。
Chung的实验室将通过其 网站提供详细方案和其他资源。他现在计划开始使用SWITCH研究人类神经系统疾病，同时也在研发其他技术，以帮助绘制人类大脑图谱。
刊登本文并不代表世界经济论坛认同文中观点。
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作者：Anne Trafton是麻省理工学院新闻的特约撰稿人。
图片：一名女性经过麻省理工学院博物馆“MIT 150展览”新闻预展时，路过展示患者“H.M.”脑片的展台。REUTERS/Brian Snyder。
