Science子刊：把骨骼变透明，将干细胞“一览无余”

眼睛是心灵的窗户。如果在骨骼上也有这样的一扇窗户，那么我们就能透视骨髓，能更好地研究其发育及相关疾病。如今，加州理工学院（California Institute of Technology）开发的一项新技术就可以使完整的骨骼“透明”，使研究人员能够用光学显微镜直接透视观察骨髓中的干细胞。这项发表于《科学》子刊《Science Translational Medicine》上的技术突破可以让人们更好地测试骨质疏松症等骨骼疾病药物的疗效。

在健康的骨骼中，新生骨质的成骨细胞（osteoblast）和分解旧骨质的破骨细胞（osteoclast）之间存在着动态而微妙的平衡。该过程由骨髓中的干细胞部分控制，后者即是骨祖细胞（osteoprogenitor）。骨祖细胞会分化成骨细胞和骨细胞，以对骨骼系统进行调节和维持。这一机制对骨骼的健康十分重要。骨质的持续性净流失会增加发生骨折的风险，导致骨质疏松症。为了有效应对这一疾病，我们必须研究骨髓中干细胞的行为。然而，这一个罕见的细胞群体，以一种不均匀的方式分布在整个骨骼中。

▲骨质的动态调节（图片来源：《Nature Medicine》）

“由于骨骼干细胞群体的稀缺性，仅从几份骨骼切片的观察中是难以推断出其总体的数量和位置的，”文章共同第一作者Alon Greenbaum博士说道：“另外，骨骼切片的取样过程本身就会导致骨质流失，破坏骨骼中干细胞的所处复杂微环境，因此我们还是需要能在完整的骨骼组织内进行观察。”

为了做到这一点，文章作者们采用了CLARITY技术。这一手段最初由当时还在斯坦福大学（Stanford University）进行博士后研究工作的Alon Greenbaum博士开发，可使得诸如大脑这样的软组织变得透明。CLARITY技术会从细胞中去除不透明的脂质分子，同时还输入透明的水凝胶以提供结构支持。后来，Alon Greenbaum博士在加州理工的团队扩大该技术的应用范围，实现让整个小鼠身体中的软组织变得透明。现在，该团队决定更进一步，找到了让骨骼这样的硬组织透明化的方法，即Bone CLARITY。

▲Bone CLARITY技术的透视骨骼成像（图片来源：《Science Translational Medicine》）

研究人员构建了骨祖细胞被红色荧光标记的转基因小鼠，使得这些Sox9-tdTomato+骨祖细胞得以被光学成像。就这样，小鼠股骨、胫骨和脊柱的骨骼被取样，每个样品的长度约为几厘米。接着，研究人员从骨骼去除钙质，因为钙质会使得骨组织不透明。之后，骨骼样品被灌注入水凝胶，将蛋白质和核酸等细胞组分固定在其原有位置，并保留了样品的结构。最后，他们用柔和的去垢剂流过整个骨骼样品以洗去脂质，最终使骨骼变得透明。研究团队还专门开发了一个定制的单层光显微镜（light-sheet microscope），以对被如此处理过的骨骼样品进行快速且高分辨率的成像，以避免荧光信号的衰减。在骨骼样品中，我们清楚的看到被红色荧光标记的骨祖细胞。

为了将Bone CLARITY付诸药物开发的实践，研究者们与安进（Amgen）公司进行了合作，测试一种正在开发中的用于治疗骨质疏松症新药，后者是靶向sclerostin蛋白的抗体。

“我们在安进的合作者提供了一种可增加骨质的在研新药，”文章共同第一作者、在读研究生Ken Y. Chan说：“然而，该药对干细胞群体的影响还不清楚，我们认为它可能会促进干细胞的增殖。” 为了验证这一点，研究人员给了一组小鼠施用了sclerostin抗体，然后用Bone CLARITY将其脊柱与对照组进行比较。“我们看到，这种药物确实使干细胞的数量增加，”他说道：“监测干细胞对这些药物的反应是至关重要的，因为最初的干细胞增殖肯定是需要的，由于骨骼正在新生，但长期干细胞增殖则可能导致癌症。”

此外，该技术还将有助于了解骨骼与身体其他部位的相互作用。

▲文章通讯作者Viviana Gradinaru教授（图片来源：加州理工学院）

“生物学家们已经开始认识到，骨骼的作用不仅仅是结构支持，”文章通讯作者Viviana Gradinaru教授说道：“例如，来自骨骼的激素会被发送之大脑，以调节食欲。另外，头骨和大脑之间的相互作用界面是神经科学领域的重要研究方向。我们希望，Bone CLARITY技术将在理解这些重要器官内在运作机制上创造新的突破。”

参考资料

[1] Bone CLARITY: Clearing, imaging, and computational analysis of osteoprogenitors within intact bone marrow

[2] Transparent bones enable researchers to observe the stem cells inside

来源：学术经纬