科学家绘制小鼠三维全身图谱，分辨率能达到细胞级别，减少不必要的转基因小鼠实验

“这种技术的出现无疑能为再生医学领域带来革命性变革。想象一下，我们不再需要依赖传统的研究方法，而是可以直接观察到神经、免疫和肿瘤细胞在实时状态下的相互交互，这是多么震撼和启示性的画面！”德国慕尼黑大学博士后麦鸿成表示。

图 | 麦鸿成（来源：麦鸿成）

近期，他和所在团队构建出一款小鼠三维全身图谱，分辨率能达到细胞级别。借此，他们开发出一种名为 wildDISCO 的全新组织透明方法，只需借助商业化抗体即可对小鼠全身进行精准标记。

（来源：Nature Biotechnology）

在癌症研究领域，wildDISCO 不仅可以帮助人们深入了解癌症转移的机制，更可以为治疗癌症的微转移提供重要依据。

（来源：Nature Biotechnology）

当然，wildDISCO 的应用绝不局限于癌症研究。在神经退行性疾病比如帕金森症或阿尔茨海默症的研究中，在 wildDISCO 的帮助之下，人们可以直观地观察到神经元的损伤和再生过程。

在研究自身免疫性疾病时，则能清晰地看到免疫细胞对于体内正常细胞的攻击，从而为人们打开全新的研究视野，以便更深入地探索疾病机理，从而开发更加有效的治疗方法。

（来源：Nature Biotechnology）

由于 wildDISCO 能够提供大量的高质量成像数据，故能为生医研究提供了丰富的材料。数据，也是训练 AI 算法的关键。利用 wildDISCO 产生的数据，还可以开发更精确、更高效的 AI 算法，进而有望彻底改变人们对于疾病的认识和治疗方式。

wildDISCO 也能给学界带来一些便利。当科研人员探索生理系统间的复杂交互时，借助 wildDISCO 就能避免对于转基因小鼠的依赖。

（来源：Nature Biotechnology）

一直以来，开发这种转基因小鼠既耗时又耗力，而且很多情况下还无法完全满足研究需求。wildDISCO 则能提供一种新的途径，即通过精细的单位结构图，展现出生物体内各种复杂的生物过程，从而帮助人们揭示生物系统和疾病背后的新奥秘。

同时，wildDISCO 并不仅仅是一种使用 IgG 抗体进行全身免疫标记的新方法。利用它所绘制的小鼠三维全身图谱，还能覆盖小鼠神经、淋巴和免疫系统等。

此前，在大部分透明化和标记方法中，深层组织免疫染色一直是一个公认的挑战。而在此次研究中，麦鸿成等人使用环糊精衍生物，来对商业化抗体进行组织渗透和标记，相比此前方法有着显著的改进，故为全身小鼠大样本的免疫标记，提供了一个既重要又便捷的解决方案。

（来源：Nature Biotechnology）

日前，相关论文以《用标准 IgG 抗体进行小鼠全身细胞标测》（）为题发在 Nature Biotechnology[1]，麦鸿成是第一作者，德国慕尼黑大学教授阿里·埃尔图尔克（）担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Biotechnology）

让“卡车”顺利通过“小巷”

一直以来，传统的组织透明化技术主要依赖转基因动物中的荧光蛋白，来展示特定结构和细胞。

如前所述，构建这类转基因小鼠既费时又昂贵。而且，荧光蛋白在组织透明化之后，很容易迅速出现衰减，因此不适合进行长时间的全身成像。

在先前的尝试中，麦鸿成和所在团队曾采用 15kD 大小的纳米抗体来增强荧光蛋白信号，以期缓解信号衰减的问题。

但是，由于市面上商业化的纳米抗体种类并不丰富，且主要依赖于转基因小鼠的荧光蛋白靶点，因此亟需寻找一种新的高效方法，利用现有的数千种商业化抗体进行小鼠全身标记。

基于这一需求，该团队研发出 wildDISCO 这一组织透明化标记方法。其利用了商业化 IgG 抗体，不需要构建转基因小鼠，具有不错的成本优势。

不同于采用单纯去除细胞膜脂质的传统策略，考虑到这些商业抗体的大小仅为 150kD，于是该课题组利用 β- 环糊精等化学物质，对小鼠组织中的胆固醇进行大幅去除，从而让抗体更加深入地渗透组织。

同时，他们利用光片荧光显微镜进行成像，再对数据进行处理，最终制作出这款小鼠全身图谱，它具有特定的抗体标记，而且可以被公众查阅。

具体到研究步骤来说：

第一阶段是确定目标。该团队致力于改进和扩大全身成像技术的使用范围，以降低其时间成本。麦鸿成说：“这是一个大胆且有深远影响的目标，我们想要让广泛使用的 IgG 抗体成为标记抗体。”

然而，如何让巨大的 IgG 抗体均匀渗透到不同的组织或细胞之中，可谓难之又难。

IgG 抗体很难均匀地渗透到组织中，这就好比一个大型卡车试图通过狭窄的小巷。当时，麦鸿成等人面临的挑战是，如何打通这些“小巷”，让“卡车”可以顺畅通过。

他和同事猜测：除了细胞膜的脂质，胆固醇也是造成的障碍的原因。想象一下，胆固醇就像是巷子里的障碍物，会阻碍“卡车”的通过。而环糊精化合物就是“道路改造工具”，可以帮助去除这些障碍。

使用环糊精化合物之后，他们发现抗体能够更加顺畅地渗透，就像是为“卡车”铺设了一条宽广的道路。

麦鸿成说：“说明这个方法果真奏效了，抗体可以均匀地渗入小鼠组织之中，而且不会出现聚集现象。基于此，我们将这种改进之后的方法称为 wildDISCO。”

第二阶段是比较验证。课题组将 wildDISCO 与其他四种方法进行对比。结果发现在使用标准抗体时，其余四种方法的成像都是模糊的，只有 wildDISCO 的成像清晰可见。

第三阶段则是应用检验。期间，他们首先给小鼠全身的外周神经系统进行成像，后又针对小鼠全身绘制出淋巴系统图，并对各种器官的淋巴管进行详细观察。

随后，他们开始探索如下两个临床问题：微生物对小鼠神经发育的影响；以及三级淋巴结构与癌症转移之间的关系。

研究之后，他们发现可以在脑实质中观察到淋巴毛细管，并发现微生物对于小鼠神经发育至关重要。此外，对于三级淋巴结构与癌症转移的关系，课题组也有了新的认识。

（来源：Nature Biotechnology）

是宝贵的参考，也是对于动物的尊重

在投稿的时候，尽管审稿人和期刊编辑并未要求他们成公布小鼠全身三维图谱。

但是，麦鸿成和所在团队坚信此次图谱能为学界提供宝贵的参考，更是对动物福利的另一种尊重——可以减少不必要的动物实验。

（来源：Nature Biotechnology）

然而，构建一个公开的图谱网站更是巨大的挑战。单是一个小鼠的三维图像数据量就高达 4TB，普通用户很难处理这么大的数据。

于是，他们决定进行数据压缩。而为了让这些数据用起来更加友好，其又对不同尺度的图片校进行准，确保用户能像使用地图 App 一样，可以对三维图谱进行缩放查看。

而当他们准备上传数据资源时，遭遇了前所未有的困境：德国亥姆霍兹国家研究中心慕尼黑分中心的网络系统遭到黑客攻击，整个网络瞬间瘫痪，修复工作持续几周依然未见起色。

这时，麦鸿成等人只好采用最原始的方式——拷贝数据，并决定在导师家中完成数据上传，最终搭建出了这款三维图谱平台 [2]。

（来源：Nature Biotechnology）

在目前的抗体选择中，尽管 wildDISCO 已经能为人们提供经过验证的 IgG 抗体。但是，要想给学界提供更多选择，就得扩大抗体的验证范围。

目前，他们正在研发专门针对抗体数据的深度学习算法，这些算法能够自动检测和分类生物结构，预测疾病的发展趋势，甚至有潜力模拟药物与细胞之间的相互作用，从而助力于药物的研发。

“不过，我们的长远计划并不局限于小鼠。目前，我们正在努力改进 wildDISCO 技术，希望让其在更大范围的人体组织中进行 IgG 抗体标记，预计将为人类疾病的研究和治疗开辟全新的领域。”麦鸿成说。

参考资料：

1.Mai, H., Luo, J., Hoeher, L.et al. Whole-body cellular mapping in mouse using standard IgG antibodies. Nat Biotechnol (2023). https://doi.org/10.1038/s41587-023-01846-0

2.https://discotechnologies.org/wildDISCO/