原創(chuàng) 清華大學(xué) 清華大學(xué) 北京

在生物研究里，研究人員一般要取下離體組織樣本，經(jīng)過(guò)反復(fù)切片、逐層成像，才能慢慢還原其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。然而，一旦切片，就會(huì)破壞整體，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)錯(cuò)位、空間斷層、信號(hào)損耗等問(wèn)題，最終只能拼湊出一幅支離破碎的三維圖景。

那么，能否給科研人員裝上“透視眼”，不破壞生物結(jié)構(gòu)，也能看清其內(nèi)部奧秘呢？

近日，清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院苑克鑫副教授團(tuán)隊(duì)提出了“玻璃態(tài)組織透明化”技術(shù)Vitreous Ionic - liquid - solvent - based Volumetric Inspection of Trans - scale biostructure（簡(jiǎn)稱：VIVIT）。這一創(chuàng)新方案能讓離體生物組織在不被破壞、無(wú)形變的前提下，以原貌的三維結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)在鏡頭前。

相關(guān)研究成果于北京時(shí)間8月11日晚，以《VIVIT：通過(guò)離子玻璃態(tài)組織揭示跨尺度生物結(jié)構(gòu)》（VIVIT: Resolving trans - scale volumetric biological architectures via ionic glassy tissue）為題，在線發(fā)表于《細(xì)胞》（Cell）。

Cell網(wǎng)站論文截圖

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首次實(shí)現(xiàn)：低溫下將生物組織整體轉(zhuǎn)化為“玻璃態(tài)”

為避免切片帶來(lái)的損傷，組織透明化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它能通過(guò)化學(xué)方法讓組織光學(xué)透明，使研究人員可直接觀測(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無(wú)需層層切片。但現(xiàn)有的透明化方案存在諸多問(wèn)題，如組織在處理中會(huì)膨脹或收縮，空間結(jié)構(gòu)被扭曲；蛋白熒光信號(hào)易損失，圖片對(duì)比度下降；樣本冷凍保存會(huì)被冰晶損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

在真正還原三維結(jié)構(gòu)方面，學(xué)界一直缺乏一個(gè)兼顧結(jié)構(gòu)保真、信號(hào)增強(qiáng)，且支持樣本長(zhǎng)期保存與無(wú)損復(fù)用的解決方案。而苑克鑫團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新的VIVIT技術(shù)，正是彌補(bǔ)這一缺口的關(guān)鍵。

與以往僅追求透明度的方法不同，VIVIT從一開(kāi)始就追求更高目標(biāo)，即在實(shí)現(xiàn)光學(xué)透明的同時(shí)，最大限度保留組織原有的空間結(jié)構(gòu)與分子信息。

VIVIT讓組織實(shí)現(xiàn)透明化

通過(guò)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的高折射率離子液體，VIVIT首次實(shí)現(xiàn)了在低溫下將生物組織整體轉(zhuǎn)化為“玻璃態(tài)”，使其在光學(xué)上通透，在物理上穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過(guò)VIVIT處理后，組織的形變率低于1%。像腦組織這種結(jié)構(gòu)精密、連接復(fù)雜的樣本，也能保持原有形態(tài)，包括神經(jīng)突觸在內(nèi)的亞細(xì)胞級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)同樣能清晰呈現(xiàn)。

VIVIT技術(shù)揭示人類(lèi)大腦皮層的微連接

突破：不止“看得清”，更能“保得住”“用得上”

VIVIT的突破不僅在于能“看得清”，更在于“保得住”和“用得上”。

通過(guò)特殊離子液體對(duì)分子微環(huán)境的優(yōu)化，VIVIT顯著提升了組織內(nèi)熒光信號(hào)的強(qiáng)度。熒光標(biāo)記的組織經(jīng)VIVIT處理后，多種常用染料的熒光信號(hào)可增強(qiáng)至原始的2至30倍，讓以往難以檢測(cè)的微弱標(biāo)記也能清晰呈現(xiàn)。

同時(shí)，得益于玻璃態(tài)處理的物理特性，VIVIT打破了樣本冷凍保存的限制。處理后的組織樣本如琥珀般整體通透、質(zhì)地均勻，不僅能在 - 80°C下長(zhǎng)期保存，還能完全避免冰晶形成帶來(lái)的撕裂與機(jī)械性損傷，真正實(shí)現(xiàn)冷凍切片的結(jié)構(gòu)無(wú)損。

經(jīng)過(guò)VIVIT處理后的樣本無(wú)冰晶損傷

VIVIT能夠?qū)崿F(xiàn)多倍增強(qiáng)熒光，且抑制光淬滅

有了VIVIT這雙“透視眼”，研究者不僅能看清組織內(nèi)部原貌，還能不斷復(fù)用同一樣本并深入探索。VIVIT處理后的組織樣本具有極高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和信號(hào)保真性，能承受多輪免疫染色與連續(xù)成像。每一輪染色后，信號(hào)依然清晰，組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定如初。這意味著研究者可在同一組織中依次識(shí)別多個(gè)分子靶點(diǎn)，層層疊加，獲得更豐富的空間信息。

與此同時(shí)，配合團(tuán)隊(duì)自研的三維重建算法TARRS，VIVIT還支持連續(xù)切片圖像的高精度拼接，可構(gòu)建從單細(xì)胞到全器官的三維圖譜，實(shí)現(xiàn)跨尺度的結(jié)構(gòu)還原。

VIVIT重構(gòu)腦組織三維全景

苑克鑫團(tuán)隊(duì)此次提出的創(chuàng)新性組織透明化方案，不僅打造了能看透組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“透視眼”，還為其安上了完整的“導(dǎo)航引擎”，貫穿從樣本處理、多模態(tài)染色到三維重建的全流程路徑。

透過(guò)日益清晰的三維空間信息，我們正重新理解生命的結(jié)構(gòu)與秩序。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)推動(dòng)這一技術(shù)與實(shí)際需求深度融合，助力基礎(chǔ)科研、精準(zhǔn)醫(yī)療與智能診斷的發(fā)展。

原標(biāo)題：《擁有“透視眼”！這支清華團(tuán)隊(duì)做到了》

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