盘点：fMOST结合荧光探针实现全脑Aβ斑块的自动三

作者：杨超月

　　骆清铭院士和龚辉教授带领MOST团队发明的显微光学切片断层成像系列技术（MOST/fMOST）作为介观尺度最精细的三维成像技术，伴随着各种标记技术和数据处理技术的发展，现已在神经机制研究、脑疾病研究、心血管疾病研究以及病理毒理等领域得到广泛应用。

　　β淀粉样蛋白（Aβ）斑块是与阿尔兹海默症（AD）最显著相关的病理生物标志物。Aβ斑块在小鼠全脑中的三维分布对AD的研究具有重要意义。荧光显微光学切片断层成像（fMOST）技术，可对大体积样本进行亚微米分辨的三维成像，具有高精度、高通量数据获取的优势。MOST团队利用荧光标记后通过全脑荧光染色方法、实时原位染色方法，结合fMOST系统，实现了AD小鼠全脑Aβ斑块的三维高分辨自动成像。沃亿生物对这两篇文章进行了梳理，分享给大家。

　　一

　　2019年1月17日，MOST团队在SCIENTIASINICA Vitae发表了题为“Three-dimensional quantitative analysis ofamyloid plaques in the whole brain with high voxel resolution¹”的文章。研究人员利用DANIR-8c荧光探针进行全脑荧光染色，结合fMOST系列技术，获取了5xFAD转基因小鼠Aβ斑块的三维高分辨全脑结构数据，并进行了定量分析，实现了全脑三维空间精准定量研究Aβ斑块。

　　为了实现全脑Aβ斑块的标记，研究人员选用DANIR-8c荧光探针进行全脑离体染色，通过“渗透压休克”的样本处理方式加速探针在大体积样本中的渗透，可在4 天内完成小鼠全脑染色。基于已建立的全脑Aβ染色方法标记完整脑，研究人员利用fMOST成像方法获取亚微米分辨率的连续三维数据, 通过自行开发的全自动定位算法进行脑区定位和自动计数。

图1 Aβ斑块全脑三维分布数据集的获取和结果

　　（图源： Luo Q, etal., entia Sinica(Vitae), 2019）

　　本研究建立了一种三维高分辨定量分析完整鼠脑大样本内Aβ斑块的方法，包括发展了全脑Aβ斑块荧光染色方法，采用荧光显微光学切片断层成像技术和全自动定位分析算法，成功实现了具备全脑尺度空间定位信息的Aβ斑块定量研究。

　　二

　　2022年5月7日，Chemical Engineering Journal在线刊登了海南大学朱明强、MOST团队的“AIE-based fluorescent micro-optical sectioning tomography for automatic 3D mapping of β-amyloid plaques in Tg mouse whole brain²”文章。研究人员报道了一种水溶性荧光探针AIEgens，该探针可在1 min内快速渗透小鼠脑组织并将Aβ斑块染色至8 μm深度。在荧光显微光学切片断层成像系统（fMOST）中，通过原位逐层切削、AIEgens染色和成像的循环过程，实现了Tg小鼠全脑Aβ斑块的自动三维成像。

　　研究人员提出了采用fMOST技术将原位染色/成像/小鼠大脑切片相结合的全脑Aβ斑块三维成像策略，以此方便、高效地获取全脑Aβ斑块的高分辨3D分布图（见图2）。为适合这种集成成像策略，研究人员设计合成了两种水溶性AIE活性Aβ探针：PD-BZ-OH和PD-NA-OH。与传统探针相比，水溶性AIE活性探针在Aβ标记方面表现出一些优点：（1）对Aβ斑块具有良好的特异性和敏感性;（2）对Aβ团聚体的亲和性优于ThT;（3）无背景干扰，无需繁琐的洗涤程序;（4）渗透速度快，1分钟内Aβ斑块的标记深度为8微米。

图2 Aβ斑块标记示意图及AD全脑的高效三维成像策略

　　（图源：Zhu M, Luo Q, Li C, et al., CHEM ENG J, 2022）

　　研究人员通过fMOST系统实时原位染色，全脑包埋样本浸于PD-BZ-OH溶液中，通过三维精密平台的步进运动循环逐层染色/成像/切片，获得了Tg小鼠全脑Aβ斑块的三维空间分布数据并进行了三维重构（见图3）。

图3 Tg小鼠全脑Aβ斑块的三维分布

　　（图源：Zhu M, Luo Q, Li C, et al., CHEM ENG J, 2022）

　　本研究采用简便的原位实时AIEgens染色方法结合fMOST系统，高效构建了Tg小鼠全脑Aβ斑块的三维分布。这种方便、高效的策略避免了耗时的组织渗透程序、荧光预标记和繁琐的洗涤过程，将小鼠全脑的处理时间从2周缩短到3-4天，显著提高了全脑三维成像的效率。本研究为与fMOST系统相匹配的应用于深部组织或整个器官、甚至灵长类动物大脑的3D荧光成像的免洗AIEgens的设计与合成提供了前景，AIEgens将在未来的全脑研究中发挥重要作用。

　　参考文献

　　1.LongB, Li X, Zhang J, et al. Three-dimensional quantitative analysis of amyloidplaques in the whole brain with high voxel resolution. SCIENTIA SINICA Vitae. 2019;49(2):140-150.

　　2.Wang Y-L, Luo T, ZhangJ, et al. AIE-based fluorescent micro-optical sectioning tomography forautomatic 3D mapping of β-amyloid plaques in Tg mouse whole brain. Chemical Engineering Journal. 2022/10/15/2022;446:136840.

　　沃亿生物

　　荧光显微光学切片断层成像仪

　　MOST/fMOST系列设备不仅可以获得单细胞分辦率的小鼠全脑介观神经联接图谱、神经环路的全脑精准定位以及神经元的投射追踪；还可用于果蝇、斑马鱼、小鼠、大鼠、灵长类等各种模式动物在正常、疾病及发育过程中神经和血管网络的变化以及各种组织、器官的三维精细成像及重构。