人体器官首次达成透明化！有望实现「人造器官」的 3D 生物打印

近年来，组织工程致力于通过人体器官组织的细胞图谱，结合 3D 生物打印等新兴技术复制人体组织和器官。准确绘制完整的人体器官大多受限于解剖结构复杂性和细胞水平成像技术尚未成熟。

德国亥姆霍兹慕尼黑中心组织工程和再生医学研究所、慕尼黑大学、慕尼黑工业大学联合团队利用 SHANEL（Small-micelle-mediated Human orgAN Efficient clearing and Labeling 小胶束介导的人体器官透明和标记）组织学方法呈现了完整人体器官在细胞水平上的复杂结构。该研究成果于 2 月 13 日以题为《Cellular and Molecular Probing of Intact Human Organs》在线发表于国际学术期刊 Cell 上。

生物组织结构特性和不可溶胶原成分限制了光在生物组织中的穿透深度，是人体整体器官在细胞水平上成像的一大技术难关。研究人员把目光聚焦在 CHAPS 上。

CHAPS 是一种具有刚性甾体结构的两性离子洗涤剂。与 SDS 和 Triton X- 100 等标准「头到尾」洗涤剂相比，CHAPS 倾向聚集成更小的胶束，有助于其快速渗透到致密的器官和组织内部。

研究人员进一步筛选了 11 种可与 CHAPS 兼容共存的化学成分，共同作用透明化组织。结果表明 NMDEA 和 CHAPS 联合应用可完美地清除组织内血红素 Heme。此外，作为一种温和的两性离子洗涤剂，CHAPS 具有更好的组织内生物大分子蛋白的保存能力。

联合应用 CHAPS 和 NMDEA 的透明化效果

随后，研究团队选择了哺乳动物猪的脑组织和胰腺组织进行了 SHANEL 技术的验证。

上图：SHANEL 透明化的猪脑组织和胰腺组织

下图：胰岛 β 细胞的 3D 分布显示了胰岛在胰腺头部与尾部的分布区域差异

器官和组织的透明化有利于应用 3D 技术对其进行结构、细胞和分子层面的研究。相较于哺乳动物，人体器官更加难以透明。在哺乳动物上验证了 SHANEL 技术可行性后，研究团队花费了 4 个月时间，成功实现了完整人脑的透明化和抗体标记技术攻关。

上图：CHAPS/NMDEA 透明化的人脑

下图：从 CHAPS/NMDEA 透明化开始到光学切片成像环节统称为 SHANEL

为了解决透明化人体器官和组织成像和数以千万计的大数据分析算法问题，研究团队与美天旎公司合作开发了 LaVision 原型光学切片显微成像平台，实现了对 CHAPS 处理后的绝大多数厘米级人体器官组织（包括脑、肾脏、胰腺等）的光学切片显微成像支撑。

上图：美天旎 LaVision 原型光学切片显微平台

中图：厘米级厚度的脑组织光学切片显微成像

下图：应用 SHANEL 处理的人肾脏几乎全部透明化，内部走形的血管清晰可见

研究人员使用 SHANEL 技术完成人完整脑组织和肾脏组织的透明化、抗体和染料组织学标记和细胞水平的结构成像后，基于卷积神经网络 CNN 的深度学习框架，实现了对人体组织器官中数亿细胞的高效分割和整合分析。

基于卷积神经网络 CNN 的深度学习框架

SHANEL 组织学技术有望成为科学家绘制人体完整器官组织的关键技术。这一技术极大地促进了我们对重要人体器官发育及其在疾病中病理结构改变的了解。同时，也促进了涉及整体成像的相关研究发展。

细胞水平人体器官图谱的成功绘制有望实现人造器官的 3D 生物打印，为未来大规模人工合成人体器官作为器官移植供体提供了可能的策略。

其他新型的器官组织透明化技术

我们注意到本研究里应用的光学切片显微成像平台也被应用在 Ali Ertürk 教授团队 2019 年 12 月 12 日在 Cell 杂志发表的题为《Deep Learning Reveals Cancer Metastasis and Therapeutic Antibody Targeting in the Entire Body》的研究工作中。

这篇研究工作中，Ali Ertürk 教授团队使用 vDISCO 方法对透明小鼠转移瘤进行整体成像，并开发了用于自动量化癌症转移和治疗性抗体靶向的 DeepMACT 技术，首次实现了机体肿瘤转移灶的全局显像。

组织透明化的想法自出现起已过了几十年。生命科学和医学研究逐渐从人工痕迹较重的体外细胞研究逐渐过渡到更具内涵的组织器官整体研究。

血红蛋白的重要组分血红素 Heme 存在于机体绝大多数组织和器官，血红素作为生色基团可阻断光线。CUBIC 中的氨基醇可将血红素从血红蛋白中提取出来，可显著提高器官和组织透明度。日本 RIKEN 理化研究所和东京大学的研究团队，应用 CUBIC 技术处理幼鼠和成年小鼠，制造出几乎完全透明的小鼠。

通过光学切片荧光显微成像对 CUBIC 技术制造的透明小鼠器官和组织进行细胞水平精确成像，可获得非常清晰的组织内细胞网络信息。因此，CUBIC 技术可用于胚胎发育，癌症和免疫系统疾病在细胞层面的起源研究。

CUBIC 技术为科学家了解器官结构和特定基因在不同组织的时空表达提供了崭新的视角。

CLARITY 技术是近年出现的器官组织透明化技术，对完整器官组织实现透明化后，借助激光扫描共聚焦显微镜可实现研究对象的三维成像。

CLARITY 使大组织样本的细胞和亚细胞分析成为可能。

结语

传统组织切片分层成像技术费时费力且破坏器官组织的完整性和某些细胞亚细胞结构的连续性，导致获得的器官组织细胞水平病理生理信息丢失。

通过生物组织光学透明技术将不透明生物组织处理为高透明且完整的样本，结合切片光学成像技术实现完整组织和器官的三维立体成像，颠覆了传统切片和成像技术，具有无法替代的优越性和应用前景。

完整的器官或躯体的细胞亚细胞级 3D 成像对理解复杂的长距离细胞间相互作用尤为重要。细胞和亚细胞水平上的整体系统成像，有助于深入理解疾病的过程，开发新的治疗策略。

让我们翘首以盼上述技术为医学和生命科学的研究带来更多有创意的精彩故事。