Cubic组织透明化使3D成像变得更简单

早在1965年虎克以自制的显微镜发现了细胞，当时虎克仅能看到软木的表层细胞结构。近年随着显微镜技术的不断发展，我们已能观察到组织中较深层次的细胞结构。
针对大组织样本成像，由于细胞中的色素和其它成分如脂类和蛋白对光的散射和吸收，使光无法达到大样本的深处，从而严重的影响了对大样本深处结构的观察。组织透明化技术应用水溶性有机溶剂或者亲水性试剂，对固定组织通过浸泡、电泳或灌注等方式进行透化处理，然后应用高折射率介质匹配组织折射率，降低光散射，使组织达到光学透明，进而增加成像深度和图像对比度。

Mechanisms and principles of tissue clearing technique

引自Tian T, Yang Z, Li X. Tissue clearing technique: Recent progress and biomedical applications. J Anat. 2021 Feb;238(2):489-507. 

目前组织透明化方法主要有油性、基于水凝胶和水性的3种组织透明化方法。其中油性的透明化方法（包括iDisco，uDisco，3Disco，BABB和PEGASOS等方法）速度快、组织硬和易于操作，但是刺激性强、会使组织收缩、也会使荧光淬灭。基于水凝胶的透明化方法透明效率高，样品不会收缩，但是需要专门的电泳设备，而且使用的试剂丙烯酰胺在液体状态下有一定的致癌性。现代医学要求理想的组织透明化方法要具有安全，操作简单，环保，透明效率高等优点。而水性的组织透明化方法（如CUBIC, Scale和SeeDB）则生物相容性好，操作安全，具备满足现代医学要求的潜力。
SeeDB是一种以果糖溶液作为主要透明试剂的温和透明方法，其过程是采用梯度浓度的果糖溶液逐渐清洗生物组织样本，直至组织变得透明，但是高浓度果糖存在黏度大、渗透性差、透明能力有限的问题。Scale法使用了以尿素为主要成分的试剂溶液，尿素可以使组织亲水化，以达到减少光线散射的目的，该透明化方法透明速度较快，而且透明度较高，但是也存在生物组织膨胀、脱落、破碎等现象。CUBIC（Clear, Unobstructed Brain Imaging Cocktails and Computational Analysis）透明化方法由Hiroki R. Ueda博士等人开发，是在Scale法的基础上进一步发展起来的能够做到单细胞分辨率的一种水性透明化方法，具有荧光保护、高性能及无需特殊设备等特点，该方法通过将尿素，TritonX-100,醇胺类物质按照不同比例配制的光透明化试剂对组织进行浸泡处理，可以快速、有效地使组织达到较好的透明程度。
CUBIC中的醇胺类物质能够有效的去除样本血红蛋白和肌红蛋白内的血色素，可以进一步减少光的散射和吸收，增加透明效果。CUBIC透明化方法所用到试剂主要有CUBIC-P, CUBIC-L, CUBIC-HL, CUBIC-B, CUBIC-R, CUBIC-RA。CUBIC-P，CUBIC-L, CUBIC-HL能够对样本进行脱脂和脱色，主要成分是N-丁基二乙醇胺和1，3-双二氨甲基环己烷；CUBIC-B具有脱钙的作用，主要成分是咪唑和EDTA。CUBIC-R和CUBIC-RA用于折射率匹配,主要成分是安替比林，烟酰胺或N-甲基烟酰胺，其中CUBIC-RA对荧光信号的保护能力要强于CUBIC-R。

Chemical components in CUBIC cocktails

引自Tainaka K, Murakami TC, Susaki EA, et al. Chemical Landscape for Tissue Clearing Based on Hydrophilic Reagents. Cell Rep. 2018 Aug 21;24(8):2196-2210. 

为了达到更好的透明化效果，可以用不同试剂对不同的组织和器官进行透明化，大多数组织使用CUBIC-L对样本进行透明，人体组织使用CUBIC-HL，对于骨头等硬组织则要在CUBIC-L的基础上使用CUBIC-B进行脱钙处理。

CUBIC protocols using serial treatments with CUBIC cocktails

引自Tainaka K, Murakami TC, Susaki EA, et al. Chemical Landscape for Tissue Clearing Based on Hydrophilic Reagents. Cell Rep. 2018 Aug 21;24(8):2196-2210. 

Ueda和他的同事在筛选了近1700种化学物质后还开发了一种称为CUBIC-X的方法。该方法不仅可以使小鼠大脑组织像玻璃一样透明，还可以使组织膨大为原始尺寸的10倍，让更多的细节暴露在传统显微镜下，为深入研究小鼠大脑铺平了道路。CUBIC-X透明化方法首先对样本进行脱脂处理，然后再利用CUBIC-X1对样本进行膨大处理，利用CUBIC-X2进行折射率匹配，其中CUBIC-X1的主要成分是咪唑，CUBIC-X2的主要成分是咪唑和安替比林。Ueda利用CUBIC-X方法已经绘制了一张小鼠大脑图谱。他们采用化学方法标记了大脑中的每个细胞，然后在将大脑透明化的同时将其尺寸扩大了十倍。随后他们利用精密的成像技术对神经元进行了三维重建，据Ueda介绍，总计约7200万个细胞。CUBIC-X具体流程见下图。

Overview of a whole-brain expansion and hyperhydrative RI matching protocol

引自Murakami TC, Mano T, Saikawa S, et al. A three-dimensional single-cell-resolution whole-brain atlas using CUBIC-X expansion microscopy and tissue clearing. Nat Neurosci. 2018 Apr;21(4):625-637.

透明化方法可以使组织透明，但要实现组织结构的可视化，还需要合适的成像工具。近年发展起来的光片显微镜就是适合组织透明化成像的工具。光片显微镜技术改变了传统显微镜光源照射方式，在同样信噪比的情况下光片显微镜可以将3D成像速度提高到共聚焦显微镜或双光子显微镜的数十到数百倍，而光毒性减少数十至数百倍。因此光片显微镜技术以低光毒性、高速的三维成像优势而被Nature Method评选为2014年的年度方法学。但是传统光片显微镜存在对厘米级样本进行微米级或更高分辨率成像时成像效率不高的问题。而平铺光片技术作为一种新型的平面光片照明显微技术，通过对空间光调制器加载不同的相位图实现快速平铺短而薄的光片，从而达到扩大视场且不影响空间分辨率和光学层析能力，可以获取在视野范围内各处成像分辨率均一的高分辨率图像。锘海LS18光片显微镜采用了这种平铺光片技术，克服了传统光片显微镜中空间分辨率、光学层析能力和成像视野大小之间的矛盾，从而获得均匀高分辨率的3D荧光图像，使得3D透明化组织成像在生物医学研究中更加可靠及可行。LS18已经在脑科学、肿瘤学、药物研发、干细胞研究、组织胚胎学、组织病理诊断等各个领域得到了广泛的应用。

锘海LS18平铺光片显微镜

专为透明化样品设计的高速高分辨三维荧光显微成像系统

参考文献：

1. Tian T, Yang Z, Li X. Tissue clearing technique: Recent progress and biomedical applications. J Anat. 2021 Feb;238(2):489-507.

2. Tainaka K, Kubota SI, Suyama TQ, Susaki EA, Perrin D, Ukai-Tadenuma M, Ukai H, Ueda HR. Whole-body imaging with single-cell resolution by tissue decolorization. Cell. 2014 Nov 6;159(4):911-24.

3. Susaki EA, Tainaka K, Perrin D, Yukinaga H, Kuno A, Ueda HR. Advanced CUBIC protocols for whole-brain and whole-body clearing and imaging. Nat Protoc. 2015 Nov;10(11):1709-27.

4. Tainaka K, Murakami TC, Susaki EA, Shimizu C, Saito R, Takahashi K, Hayashi-Takagi A, Sekiya H, Arima Y, Nojima S, Ikemura M, Ushiku T, Shimizu Y, Murakami M, Tanaka KF, Iino M, Kasai H, Sasaoka T, Kobayashi K, Miyazono K, Morii E, Isa T, Fukayama M, Kakita A, Ueda HR. Chemical Landscape for Tissue Clearing Based on Hydrophilic Reagents. Cell Rep. 2018 Aug 21;24(8):2196-2210.

5. Murakami TC, Mano T, Saikawa S, Horiguchi SA, Shigeta D, Baba K, Sekiya H, Shimizu Y, Tanaka KF, Kiyonari H, Iino M, Mochizuki H, Tainaka K, Ueda HR. A three-dimensional single-cell-resolution whole-brain atlas using CUBIC-X expansion microscopy and tissue clearing. Nat Neurosci. 2018 Apr;21(4):625-637.