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《Cell》MIT：基于水凝胶的组织转化技术的基本原
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摘要：【摘要】 新兴的组织转化技术为原位研究系统级分子和解剖学特征提供了前所未有的机会。 基于水凝胶的方法设计物理化学组织特性，使完整器官光学透明，大小和形状可调，同时在
【摘要】
新兴的组织转化技术为原位研究系统级分子和解剖学特征提供了前所未有的机会。基于水凝胶的方法设计物理化学组织特性，使完整器官光学透明，大小和形状可调，同时在其生理位置保留生物分子。
当与先进的分子工具、标记和成像技术相结合时，组织转化能够以越来越快的速度和分辨率对分子、细胞及其相互关系进行三维 (3D) 映射。最近，麻省理工学院（MIT）Kwanghun Chung教授团队综述讨论了组织转化和标记技术的基本工程原理及其广泛的应用、当前的挑战和未来的潜力。相关综述论文以题为Basic principles of hydrogel-based tissue transformation technologies and their applications发表在《Cell》上。
【图文解析】
基于水凝胶的组织转化技术和特性
基于水凝胶的组织转化方法改变了组织-凝胶混合物的物理化学特性，以允许跨多个尺度有效保存和提取生物信息，揭示从宏观器官范围特性到纳米级亚细胞结构的信息（图 1A-1D）。为了有效地操纵组织凝胶特性，对这些技术背后的基本化学和物理原理有更深入的了解至关重要。在该节中，团队介绍两大类水凝胶技术：生物分子间固定方法，它创建交联生物分子的内部网格，以及基于合成水凝胶的方法，它创建具有集成生物分子的外源性水凝胶网格支架。了解每组方法如何增强物理化学特性的保存和操作，将使研究人员能够合理地选择和优化其所需应用的方案。
图 1 组织-水凝胶转化实现的多尺度分子和结构研究。下面的灰色条显示了基于水凝胶的组织转化技术覆盖的尺度。(A)全脑和远程电路。(B)细胞结构和局部电路。(C) 组织微环境。(D)突触连接。
基于生物分子间固定的方法
在基于生物分子间固定的方法中，添加化学添加剂以在组织内的生物分子之间形成化学键，以稳定组织结构和生物分子免于降解。甲醛是多聚甲醛 (PFA) 的一种单体形式，是商业、医疗和学术环境中使用最广泛的组织固定剂。甲醛快速渗透组织，与生物分子反应缓慢，使这种化学物质特别适合大规模组织的均匀固定。甲醛与核酸和蛋白质的胺基反应形成可逆的羟甲基加合物，然后与其他生物分子的亲核试剂发生不可逆反应，形成由亚甲基桥连接的分子间网状结构（图 2A 和 2B）。然而，甲醛分子的小尺寸和单功能性限制了分子间交联的程度，导致在大多数组织转化方法所需的组织脱脂过程中细胞膜破裂时生物分子和组织结构的损失。
图 2 常见组织水凝胶技术概述。
基于合成水凝胶的方法
在基于合成水凝胶的技术中，生物分子要么与外部聚合物网共价结合，要么被物理包裹在外部聚合物网中（图 2C-2G）。与生物分子间固定方法一样，最初开发基于合成水凝胶的技术是为了提供一种稳健保存生物分子和组织结构的方法；然而，研究人员此后探索了利用水凝胶特性（例如，可扩展性和弹性）来克服组织表型分析中的独特挑战的新方法。团队将合成水凝胶技术分为三种类型：（1）基于 CLARITY 的方法，（2）基于膨胀的方法，以及（3）基于物理纠缠的方法。
基于水凝胶的组织转化优化标准
团队已经审查了各种基于水凝胶的技术，这些技术专门用于探测所需范围和规模的生物系统。在这里，讨论了基本的水凝胶特性，并解释了如何设计它们以帮助研究人员为他们自己的特定系统和目标选择或优化组织转化方法。
基本的水凝胶特性
水凝胶特性对于最大化可以从感兴趣的样本中提取的生物信息量非常重要。在优化组织凝胶混合物时，需要考虑四种基本的水凝胶特性（图 3A）：
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