創(chuàng)新顱骨清除技術(shù)無需開顱即可實現(xiàn)活體腦無創(chuàng)高分辨率成像
本文介紹了一項名為SeeThrough的創(chuàng)新顱骨清除技術(shù)，該技術(shù)通過理性設(shè)計的折射率匹配溶液，實現(xiàn)了無需移除顱骨的活體腦成像。傳統(tǒng)腦成像方法如開顱手術(shù)雖能提供高分辨率圖像，但易引發(fā)炎癥反應(yīng)和組織損傷，而現(xiàn)有顱骨光學(xué)清除技術(shù)則因成像質(zhì)量不足難以廣泛應(yīng)用。SeeThrough技術(shù)通過系統(tǒng)篩選1600多種化學(xué)物質(zhì)，開發(fā)出一種混合水基和有機溶劑基的折射率匹配溶液（woRIMS），不僅匹配顱骨的高折射率（1.56），還具備良好生物相容性，使得小鼠腦成像的靈敏度和對比度與開顱窗成像相當(dāng)。該技術(shù)支持雙光子成像、深度達400微米的體積成像、長達一個月的縱向監(jiān)測以及多皮層區(qū)域的細(xì)胞分辨率活動記錄，為神經(jīng)科學(xué)研究提供了高吞吐量、生理狀態(tài)保持完整的成像平臺。
該研究由Xinyi Liu、Motokazu Uchigashima、Ikumi Oomoto、Yoshihito Saito、Hitoshi Uchida、Shinya Oginezawa、Keiko Masuda、Daisuke Satoh、Manabu Abe、Kenji Sakimura、Yoshihiro Shimizu、Masanori Murayama、Kazuki Tainaka和Takayasu Mikuni等作者共同完成，論文標(biāo)題為“SeeThrough: a rationally designed skull clearing technique for in vivo brain imaging”，于2025年8月在《Nature Communications》期刊。
重要發(fā)現(xiàn)
01核心貢獻與實驗設(shè)計
SeeThrough技術(shù)的核心貢獻在于開發(fā)了一種新型折射率匹配溶液（woRIMS），成功解決了顱骨光散射導(dǎo)致的成像模糊問題。研究團隊通過系統(tǒng)篩選1600多種化學(xué)物質(zhì)，基于漢森溶解度參數(shù)（HSP）和 hydration score 數(shù)據(jù)分析，理性選擇了苯甲醇（benzyl alcohol）作為有機溶劑基成分和安替比林（antipyrine）作為水基成分，形成混合溶液。這種溶液通過水性中間溶劑（AqIS，如75%乙醇尿素飽和溶液）增強相容性，避免相分離，最終實現(xiàn)折射率1.56的匹配目標(biāo)，與小鼠顱骨組織折射率一致。
實驗過程包括體外和體內(nèi)驗證。在體外測試中，使用分離的小鼠顱骨比較SeeThrough與其他清除方法（如USOCAT和甲醇-BABB法）的透光度。結(jié)果顯示，SeeThrough處理的顱骨透光度達95.1%，與高清除效率的甲醇-BABB法（95.8%）相當(dāng)，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)水基方法（9.7-44.4%）。體內(nèi)實驗則通過雙光子顯微鏡對活體小鼠進行成像，比較SeeThrough技術(shù)與開顱窗成像的效果。研究人員在相同小鼠上先后通過未處理顱骨、SeeThrough處理顱骨和開顱窗成像，分析血管結(jié)構(gòu)和神經(jīng)元標(biāo)志物tdTomato的熒光信號。結(jié)果表明，SeeThrough大幅提升了成像靈敏度和信噪比，其熒光強度半高寬（FWHM）與開顱窗無顯著差異，證明成像質(zhì)量相當(dāng)。
02成像性能與生物相容性在功能性成像方面，SeeThrough技術(shù)成功監(jiān)測了神經(jīng)元鈣離子活動。通過表達jGCaMP8f的轉(zhuǎn)基因小鼠，研究人員在初級運動皮層記錄樹突分支的自發(fā)鈣信號，發(fā)現(xiàn)SeeThrough與開顱窗實驗的熒光變化率（ΔF/F）無顯著差異，表明該技術(shù)能可靠捕捉微小細(xì)胞結(jié)構(gòu)的活動。此外，SeeThrough還實現(xiàn)了內(nèi)源性蛋白（如CaMKIIα-mEGFP）的亞細(xì)胞定位成像，靈敏度與開顱窗相當(dāng)。
生物相容性評估顯示，SeeThrough試劑對腦組織滲透極低。使用檢測試劑盒和液相色譜-質(zhì)譜法（LC-MS）測量腦皮層中試劑濃度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)EDTA、SDBA、乙醇和尿素等成分的濃度與陰性對照（PBS處理）相近或低于檢測限，而安替比林的滲透濃度小于1μM，遠低于其半數(shù)抑制濃度（IC50=860μM），藥理學(xué)影響可忽略。炎癥反應(yīng)測試中，通過Iba1-tdTomato轉(zhuǎn)基因小鼠和GFAP免疫組化分析，發(fā)現(xiàn)SeeThrough處理24小時后小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞未激活，而開顱手術(shù)（尤其伴硬腦膜切除）則引發(fā)顯著炎癥。動物健康方面，重復(fù)SeeThrough處理一個月未影響小鼠生存或體重增長，顱骨組織機械強度保持穩(wěn)定，證明技術(shù)安全可靠。
創(chuàng)新與亮點
01突破成像難題
SeeThrough技術(shù)突破了活體腦成像中長期存在的顱骨光散射難題。傳統(tǒng)開顱手術(shù)雖能提供高質(zhì)量圖像，但操作復(fù)雜、易引發(fā)炎癥且難以用于大規(guī)模或長期實驗；而現(xiàn)有顱骨清除方法多依賴單一水基或有機溶劑基溶液，折射率匹配不足（通常為1.36-1.51），導(dǎo)致成像質(zhì)量低下。SeeThrough通過創(chuàng)新性地混合水基和有機溶劑基成分，利用AqIS作為相容劑，首次實現(xiàn)了高折射率（1.56）匹配與生物相容性的平衡，使得無需顱骨移除的成像靈敏度與開顱窗相當(dāng)。這一設(shè)計避免了有機溶劑脫水過程的毒性，同時克服了水基溶液溶解度限制，為活體成像提供了新思路。
在技術(shù)層面，SeeThrough結(jié)合快速滲透步驟（如CUBIC-B脫鈣和SDBA脫脂），可在60分鐘內(nèi)完成顱骨清除，成像立即進行，操作簡便且可重復(fù)。其應(yīng)用價值體現(xiàn)在多個方面：首先，在神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)研究中，該技術(shù)支持深度達400微米的體積成像、長達一個月的樹突棘動態(tài)追蹤以及發(fā)育大腦（如出生后3周）的縱向監(jiān)測，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析提供數(shù)據(jù)；其次，在臨床前研究中，SeeThrough能無創(chuàng)監(jiān)測腦邊界區(qū)域（如腦膜巨噬細(xì)胞和血管周空間），有助于研究神經(jīng)免疫交互和類淋巴系統(tǒng)動力學(xué)，這些區(qū)域在開顱手術(shù)中易受損。例如，通過示蹤劑成像，SeeThrough清晰顯示了腦脊液沿血管周的流動，而開顱窗則因組織壓迫導(dǎo)致血流異常。
此外，SeeThrough與寬場雙光子顯微鏡（如FASHIO-2PM）結(jié)合，實現(xiàn)了多皮層區(qū)域的細(xì)胞分辨率活動記錄。在實驗中，研究人員以7.65赫茲速率監(jiān)測了728-2965個神經(jīng)元的鈣信號，并通過偏相關(guān)分析揭示了局部和長程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)鏈接，凸顯了其在系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)中的高通量潛力。相比開顱手術(shù)，SeeThrough技術(shù)對操作者技能要求低，成功率高，尤其適合非專家使用，有望推動腦成像技術(shù)的普及化和標(biāo)準(zhǔn)化。
總結(jié)與展望
SeeThrough技術(shù)通過理性化學(xué)設(shè)計，成功開發(fā)出一種高效、生物相容的顱骨清除方法，為活體腦成像提供了最小侵入性、高分辨率的解決方案。該技術(shù)不僅成像質(zhì)量與開顱窗相當(dāng)，還能保持腦組織生理完整性，支持從微觀細(xì)胞活動到宏觀網(wǎng)絡(luò)分析的多尺度應(yīng)用。未來，SeeThrough有望與自適應(yīng)光學(xué)或三光子顯微鏡結(jié)合，進一步糾正顱骨曲率帶來的像差，提升深部成像質(zhì)量；在醫(yī)療領(lǐng)域，它或?qū)⒊蔀檠芯可窠?jīng)退行性疾病、腦損傷和免疫應(yīng)答的重要工具，推動精準(zhǔn)醫(yī)療發(fā)展。盡管目前需在每次成像前重新清除，但未來開發(fā)高折射率樹脂封裝技術(shù)可能實現(xiàn)長期透明顱骨窗口。總體而言，SeeThrough以其簡單性和 versatility，將加速神經(jīng)科學(xué)探索和腦疾病治療策略的創(chuàng)新。
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Liu X, Uchigashima M, Oomoto I, Saito Y, Uchida H, Oginezawa S, Masuda K, Satoh D, Abe M, Sakimura K, Shimizu Y, Murayama M, Tainaka K, Mikuni T. SeeThrough: a rationally designed skull clearing technique for in vivo brain imaging. Nat Commun. 2025 Aug 26;16(1):7584.
DOI:10.1038/s41467-025-62836-1.
- 高通量雙光子成像技術(shù)兆赫級掃描大腦神經(jīng)元活動
- 深層組織成像新方法雙反卷積獨立校正激發(fā)發(fā)射像差
- 利用nanoScan SPECT/CT研究²⁰¹T1腫瘤靶向放療新策略
- 活細(xì)胞光學(xué)成像技術(shù)加持微循環(huán)系統(tǒng)助力代謝性肝病的研究
- 靶向髓系細(xì)胞mTOR研究：納米生物制劑有望破解感染相關(guān)過度炎癥
- 無創(chuàng)超靈敏生物發(fā)光動態(tài)成像技術(shù)助力三陰性乳腺癌研究
- 利用施萬細(xì)胞PIK3CA突變構(gòu)建神經(jīng)病變模型，用于早期靶向治療研究
- 體成分分析應(yīng)用案例：脫氧膽酸改善肥胖新機制-激活脂解與產(chǎn)熱
