清华团队打造生物研究“透视眼”技术

08-13 06:45

原创清华大学清华大学北京

在生物研究里，研究人员一般要取下离体组织样本，经过反复切片、逐层成像，才能慢慢还原其内部结构。然而，一旦切片，就会破坏整体，导致结构错位、空间断层、信号损耗等问题，最终只能拼凑出一幅支离破碎的三维图景。

那么，能否给科研人员装上“透视眼”，不破坏生物结构，也能看清其内部奥秘呢？

近日，清华大学生物医学工程学院苑克鑫副教授团队提出了“玻璃态组织透明化”技术Vitreous Ionic - liquid - solvent - based Volumetric Inspection of Trans - scale biostructure（简称：VIVIT）。这一创新方案能让离体生物组织在不被破坏、无形变的前提下，以原貌的三维结构呈现在镜头前。

相关研究成果于北京时间8月11日晚，以《VIVIT：通过离子玻璃态组织揭示跨尺度生物结构》（VIVIT: Resolving trans - scale volumetric biological architectures via ionic glassy tissue）为题，在线发表于《细胞》（Cell）。

Cell网站论文截图

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首次实现：低温下将生物组织整体转化为“玻璃态”

为避免切片带来的损伤，组织透明化技术应运而生。它能通过化学方法让组织光学透明，使研究人员可直接观测内部结构，无需层层切片。但现有的透明化方案存在诸多问题，如组织在处理中会膨胀或收缩，空间结构被扭曲；蛋白荧光信号易损失，图片对比度下降；样本冷冻保存会被冰晶损伤，导致结构破坏。

在真正还原三维结构方面，学界一直缺乏一个兼顾结构保真、信号增强，且支持样本长期保存与无损复用的解决方案。而苑克鑫团队创新的VIVIT技术，正是弥补这一缺口的关键。

与以往仅追求透明度的方法不同，VIVIT从一开始就追求更高目标，即在实现光学透明的同时，最大限度保留组织原有的空间结构与分子信息。

VIVIT让组织实现透明化

通过团队自主研发的高折射率离子液体，VIVIT首次实现了在低温下将生物组织整体转化为“玻璃态”，使其在光学上通透，在物理上稳定。实验数据显示，经过VIVIT处理后，组织的形变率低于1%。像脑组织这种结构精密、连接复杂的样本，也能保持原有形态，包括神经突触在内的亚细胞级精细结构同样能清晰呈现。

VIVIT技术揭示人类大脑皮层的微连接

突破：不止“看得清”，更能“保得住”“用得上”

VIVIT的突破不仅在于能“看得清”，更在于“保得住”和“用得上”。

通过特殊离子液体对分子微环境的优化，VIVIT显著提升了组织内荧光信号的强度。荧光标记的组织经VIVIT处理后，多种常用染料的荧光信号可增强至原始的2至30倍，让以往难以检测的微弱标记也能清晰呈现。

同时，得益于玻璃态处理的物理特性，VIVIT打破了样本冷冻保存的限制。处理后的组织样本如琥珀般整体通透、质地均匀，不仅能在 - 80°C下长期保存，还能完全避免冰晶形成带来的撕裂与机械性损伤，真正实现冷冻切片的结构无损。

经过VIVIT处理后的样本无冰晶损伤

VIVIT能够实现多倍增强荧光，且抑制光淬灭

有了VIVIT这双“透视眼”，研究者不仅能看清组织内部原貌，还能不断复用同一样本并深入探索。VIVIT处理后的组织样本具有极高的结构稳定性和信号保真性，能承受多轮免疫染色与连续成像。每一轮染色后，信号依然清晰，组织结构稳定如初。这意味着研究者可在同一组织中依次识别多个分子靶点，层层叠加，获得更丰富的空间信息。

与此同时，配合团队自研的三维重建算法TARRS，VIVIT还支持连续切片图像的高精度拼接，可构建从单细胞到全器官的三维图谱，实现跨尺度的结构还原。