麻省理工学院的化学工程师和神经科学家设计了一种保护生物组织的新方法，使他们能够可视化细胞内的蛋白质，DNA和其他分子，并绘制神经元之间的连接图。研究人员表明，他们可以使用这种称为SHIELD的方法来追踪大脑中有助于控制整个大脑运动和其他神经元的部分神经元之间的联系。

“使用我们的技术，我们第一次能够以单细胞分辨率绘制这些神经元的连通性，”化学工程助理教授兼麻省理工学院医学工程与科学研究所成员Kwanghun Chung说。学习与记忆研究所。“我们可以通过完全集成的方式从同一组织获得所有这些多尺度，多维信息，因为通过神盾局，我们可以保护所有这些信息。”

Chung是该论文的高级作者，该论文发表在12月17日出版的Nature Biotechnology上。该论文的主要作者是麻省理工学院博士后Young-Gyun Park，Chang Ho Sohn和Ritchie Chen。

Chung现在领导一个来自几个机构的研究人员团队，他们最近获得了美国国立卫生研究院的资助，使用这种技术生成整个人类大脑的三维地图。“我们将与MGH的Matthew Frosch小组，MGH的Van Wedeen小组，普林斯顿大学的Sebastian Seung小组以及麻省理工学院林肯实验室的Laura Brattain小组合作，制作出最全面的大脑地图，”他说。

保存信息

脑组织非常脆弱，除非采取措施保护组织免受损伤，否则不易研究。Chung和其他研究人员之前已经开发出一些技术，可以保留脑组织的某些分子成分用于研究，包括蛋白质或信使RNA，揭示哪些基因被打开。

然而，Chung说，“没有好的方法可以保存一切。”

Chung和他的同事假设他们可能能够使用通常用于生产胶水的聚环氧化物 - 反应性有机分子的分子来更好地保存组织。他们测试了几种市售的聚环氧化物，并发现了一种具有独特结构特征的聚环氧化物，使其非常适合其用途。

他们选择的环氧化物具有灵活的主链和五个分支，每个分支可以结合某些氨基酸(蛋白质的构建块)，以及其他分子如DNA和RNA。柔性主链允许环氧化物结合沿靶分子的几个点，并与附近的生物分子形成交联。这使得单个生物分子和整个组织结构非常稳定并且抵抗来自热，酸或其他有害物质的损害。SHIELD还保护生物分子的关键特性，例如蛋白质荧光和抗原性。

为了保护大规模的脑组织和临床样本，研究人员将SHIELD与SWITCH结合起来，SWITCH是他们开发的另一种控制化学反应速度的技术。他们首先使用SWITCH-OFF缓冲液，它可以阻止化学反应，使环氧化物有时间扩散通过整个组织。当研究人员将样品移至SWITCH-ON状态时，环氧化物开始与附近的分子结合。

为了加快SHIELD保护组织的清除和标记过程，研究人员还应用了一个随机变化的电场，他们之前已经证明了这一点可以提高分子的传输速率。在本文中，他们表明，从保存到活检组织标记的整个过程可以在短短四个小时内完成。

“我们发现这种SHIELD涂层可以保持蛋白质对抗严酷的压力因素，”Chung说。“因为我们可以保留我们想要的所有信息，并且我们可以在多个阶段提取它，我们可以更好地理解生物组件的功能，包括神经回路。”

一旦组织被保存，研究人员就可以标记各种不同的目标，包括细胞产生的蛋白质和mRNA。他们还可以应用Chung在2016年开发的MAP等技术来扩展组织并将其成像为不同尺寸。

在本文中，研究人员用Byungkook Lim的加州大学圣地亚哥分校小组一起使用SHIELD映射脑电路，其苍白球外耳炎(GPE)大脑基底节，部分开始。该区域涉及运动控制和其他行为，是深部脑刺激的目标之一 - 一种有时用于治疗帕金森病的电刺激。在小鼠脑中，Chung和他的同事能够追踪GPe和大脑其他部分神经元之间的联系，并计算这些神经元之间假定的突触连接的数量。

更好的活检

Chung说，SHIELD组织处理的速度意味着它还有望对患者组织样本进行快速，更丰富的活检。目前的方法需要用石蜡包埋组织样本，切片，然后施加可以揭示细胞和组织异常的污渍。

“目前的组织诊断方法在几十年内没有改变，这个过程需要数天或数周，”Chung说。“利用我们的技术，我们可以快速处理完整的活检样本，并使用真正特异的临床相关抗体对其进行免疫标记，然后以高分辨率，三维方式对整个事物进行成像。一切都可以在四小时内完成。”

在本文中，研究人员表明他们可以用针对增殖癌细胞的抗体标记小鼠肾肿瘤。

“在光学显微镜实验中，组织样本中生物信息的稳定和保存是必不可少的，”斯坦福大学生物学教授Liqun Luo说，他没有参与这项研究。“神盾局的成就不仅在一个类别中取得了很大的进步，而且在保存蛋白质，转录物和组织结构方面取得了显着的进步，因为样品是通过当今最好的标记和成像协议规定的苛刻技术处理的。 “