西湖大学明星PI开发“果冻显微镜”放大神经样品体积近700倍:希望AD等疾病筛查更方便

不利用电子显微镜,通过借助“果冻”和“荧光”来观察神经的形态,从而协助诊断阿尔兹海默症(AD)等神经疾病?这一充满趣味的方式不再是奇思妙想,它已经变为现实。

西湖大学生命科学学院 PI Kiryl Piatkevich 博士的研究发明即围绕于此。他开发了一种新型材料——与果冻形态类似的凝胶,结合用以辅助观察的荧光材料,无需大型显微仪器便可以观察精密的神经活动。

他因为这项研究而获得了一笔来自 BBRF(Brain and Behavior Research Foundation,大脑和行为研究基金会,该基金会在今年遴选出了 150 位青年科学家的项目)的青年科学家基金的定向支持资金。西湖大学也成为了获得该项基金支持的唯一一家中国机构。

图丨Kiryl Piatkevich,他硕士毕业于罗蒙诺索夫莫斯科国立大学,毕业后在莫斯科国立大学和美国阿尔伯特爱因斯坦医学院进行联合博士培养(来源:受访者提供)

在博士毕业后,Kiryl 选择在麻省理工学院 Edward Boyden 博士领导的合成神经生物学实验室从事博士后研究。Edward 被称为是凝胶“大神级”玩家,他最早开启了“凝胶显微镜”的研究。在与“大神”共同进行研究期间,Kiryl 利用合成生物学研发神经接口的新方法,并研发出了几种新型分子技术用于观察活体动物的神经元活动。

七年多的博士后研究之后,Kiryl 希望可以开展独立研究。2019 年,他选择接受西湖大学的邀请,到中国建立自己的实验室。他在接受生辉采访时表示,之所以选择来到中国,是因为这里充满了机会,并给予充分的学术自由。“研究最需要的就是资源,如果我有足够的资源,我会非常兴奋地去冒险,就像我们通常所说的,高风险、高回报。”

用“果冻”放大样品体积近 700 倍

“我从小就对化学感兴趣……我一直在思考,对于每个人最重要的是什么?我认为是健康”,Kiryl 说,“治疗的第一步就是了解我们的身体出了什么问题,所以我希望能研发一种新技术,可以帮助我们看到潜在的治疗机制、分子机制、病理表现,来揭开疾病诱因的面纱。”

“(希望)任何人都能随时随地观察神经是否发生了病变。”他告诉生辉。

光学显微镜和电子显微镜均是常用的观察工具,但难题犹存。常用的光学显微镜由于光源波长的限制,分辨率存在极限,且其对样品的预处理要求很高。随后出现并斩获诺奖的“冷冻电镜”能把分辨率降低到亚纳米级,但很多生物学样品无法通过冷冻电镜技术来观察。

除了上述技术问题,对于很多研究团队和公司而言,两种显微镜高昂的价格也是一道门槛。

Kiryl 的研究即是为了解决上述问题。他们选择将剥离出的大脑或者其他组织样品,例如果蝇、小鼠的大脑,放进调配好的溶液中,通过改变一些条件,使得溶液变成透明的凝胶,最后加入水,含有样品的凝胶便吸水膨胀起来。随着凝胶吸水膨胀,内部的样品也随之放大。由于在膨胀前,加入了一些特殊的化学小分子,给样品穿上了一层“保护衣”,因此可以保证样品的内部结构不会受到外界条件改变的影响的同时方便观察、无需显微镜等仪器。

“吸水膨胀的凝胶看起来就像‘果冻(Jelly)’”Kiryl 说。

图丨“果冻”——水凝胶(来源:Kiryl Piatkevich 实验室)

他介绍说,回看生物学研究的百年历史,“水凝胶”相关的研究早已开始。“目前生物学的主要趋势之一便是生物系统的研究。如果回看过去一百年的生物学历史,我会回发现上世纪五十年代和六十年代,人们便开始了通过水凝胶中的分子对 DNA 和蛋白质结构展开研究,这一领域也曾出现了许多诺贝尔奖。到了上世纪八十年代到九十年代之间的细胞生物学时代,甚至是千禧年前后,人们一直在做同样的研究。”

但 Kiryl 认为,他们所做的事情远不止于此。他告诉生辉,目前研究的最新趋势是组装构建“整个器官”或“整个生物体”系统,这对水凝胶材料提出了新的要求——保护样本的稳定性。“我们的需求是对完整生物体进行观察、诊断,而传统的凝胶在完全膨胀状态下是非常脆弱,这会对样本的分裂、构建带来极大的挑战。因此,我们需要新型水凝胶,其必须非常坚固,才能保证观察样本、器官的完整性。”

如何保证稳定性?Kiryl 通过两个要素:机械稳定和可调节性。一言以蔽之,即制造一种材料,其需要具备机械稳定性、同时“稳定性”的具体表现可因需调节。同时,软件的应用让这一过程更加可控。“使用者可以利用我们开发的应用程序进行材料稳定性调节,去定制针对不同场景材料参数。”

Kiryl 告诉生辉,目前实验室的膨胀技术可以做到将样品线性放大 8 倍多,而体积可以放大近 700 倍。

锁定研究重点

神经学和化学存在巨大差异,“这是从基础化学到生物学的过渡,它更像是利用‘合成生物学’来解决最未满足的需求。我对退行性疾病十分好奇,所以便将研究重点锁定在这一领域。”Kiryl 说:“对于相关研究而言,真正的去‘看’、‘观察’病变样本是最重要的,尤其是对 AD 而言。”

为什么要如此强调 AD 中“眼见为实”的重要性?

AD 的标志性神经病理学改变是弥散性的神经炎性斑块,其标志是细胞外 β-淀粉样物质(amyloid beta, Aβ)沉积,以及神经原纤维缠结,由过度磷酸化的tau蛋白(hyperphosphorylated tau, p-tau)在细胞内聚集而构成。由于有了新的生物标记技术可供在体内检测这些神经病理学改变,AD 的流行病学研究也在转变。大型随机临床试验利用影像学特征或脑脊液(cerebrospinal fluid, CSF)生物标志物来对 AD 的预防和治疗进行评估。

治病机理的复杂性让人们更需要一种直观的方法去观察病理状态下的细胞状态,Kiryl 的研究提供了一种新的更为有效的观察途径。

“我在实验获得的初步数据中发现,大脑中的免疫反应能够通过伽马频段的视觉刺激得到激活,从而改善阿尔茨海默病的临床症状,提高患者的认知水平。”Kiryl 说,目前人们对这一关键激活过程的确切发生机制了解甚少,而他的研究目标就是以期揭示出引发这一免疫反应的信号通路,并消除患阿尔茨海默病小鼠的脑部淀粉蛋白斑块。

图丨Kiryl Piatkevich 观察到的神经形态(来源:Kiryl Piatkevich 实验室)

Kiryl 研发的新型影像探针,让研究者能够在活体模型动物中观察神经肽和趋化因子的释放过程。“通过这一研究,不管是在健康人群还是患病人群中,研究者都能够对神经活动与免疫反应激活之间的相关性获得更清晰的认识,从而有望为阿尔茨海默病的治疗方法开拓新思路。”他说。

“让不可观察的现象可以被看清。”Kiryl 总结道。

不止于大脑

这一研究只能针对脑内神经吗?Kiryl 给出的答案是“No”。

大脑无疑是人体最为复杂的器官,其中纷繁交错的神经路线,各种隐形机制的探索均是一座座大山,横亘在治愈疾病的道路上。“在众多疾病研究中,神经系统疾病无疑是难度最大的。而我希望先把最难的问题解决,其他的研究问题也会迎刃而解。”他说。

在“愚公移山”的过程中,离不开“光活性分子”的合理应用。

Kiryl 表示,他的实验室开发了一种光活性分子,它可以在神经元中表达,让人们能够以非侵入性方式对大脑进行控制监测。“光活性分子”即为荧光探针

图丨荧光探针的状态(来源:Kiryl Piatkevich 实验室)

荧光探针是一种分子,其吸收特定波长的光,然后发射不同波长(通常是较长波长)的光,形成荧光团,主要用于研究生物样品。这些荧光团,可以附着在目标分子上,作为荧光显微分析的标记物。

通过将荧光分子的基因转入大肠杆菌,经过一段时间的培养和结合,观测这些大肠杆菌在荧光灯照射下亮度的呈现情况。通过观察和计算,筛选出表现较好的大肠杆菌,然后将其基因提取出来转入到小鼠体内,荧光分子随之附着在小鼠体内的某些离子上。针对不同的生理活动,对应的脑部钙离子浓度会有所不同。在显微镜下观察到,结合了荧光分子的钙离子会显示不同亮度,由此便可以研究与钙离子相关的生命活动。

该特性让 Kiryl 的研究不仅可应用到神经科学领域,还可以应用于细胞生物学、发育生物学等科学领域。

Kiryl 用一个例子告诉生辉,最近在与哈佛大学合作进行的一项重大研究中,通过建立小鼠神经映射网络,可以“告知”小鼠如何从神经皮层中获取信息,并区分信息的优先级;另一项则应用于心脏,人们能够在分子水平了解心脏两侧调节收缩的难度,以达到相应的精准控制。

同时,Kiryl 强调,相比于目前常用的分子诊断,他的研究可以更好、更快、更便宜诊断人类疾病。“我们可以从人类的组织上取样,利用膨胀显微镜,观察并检测出相应组织所发生的非常细微的变化。这意味着我们在病理和临床早期阶段即能实现准确的诊断。”

此外,Kiryl 认为这项技术的第二个应用方向为个体化医疗。“利用拷贝基因的构建、传感器标记物的插入等过程,我们可以探索更多的药物组合,实现筛选药物,并找到这些药物最佳的组合和剂量,为不同人类提供最具希望的治疗方案。”

访谈的尾声,生辉问 Kiryl 有关未来的计划,与部分科学家希望将科研成果商业化的预期不同,他坦白地告诉生辉,专业的人去做专业的事,未来还是希望能够专注于基础研究。“我希望可以让感兴趣的专业人士把这项技术商业化,而我的目标是通过不断改进,让其更加强大、更易于使用。”

“而我接受采访的主要目的,是为了让外界知道他们投入的研究经费用在了哪里,人们有权知道科学家究竟做了些什么。”

-End-

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发表于: 2020-10-30 06:45:20 AM
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