技術分享

[書報討論系列文章] I 讓透明人成真－組織器官透明化的劃時代新技術

[書報討論系列文章]

 I See You！生技香奈兒（SHANEL）讓透明人成真

                           －組織器官透明化的劃時代新技術

現今社會，醫療技術高度發達，但卻仍有不少難題需要被解決，其中之一便是長時間苦苦等待的器官移植者。稀缺的器官捐贈者，在僧多粥少的情況下，對於需要移植器官的病人來說等待時間和移植費用是一大負擔。因此一直以來，人造器官都是醫療界與學術界共同追求的目標之一。近幾年甚至已經在豬隻上發展出藉由將舊的器官上的細胞、血液、組織碎片等清洗掉，僅留下蛋白質骨架後，將接受移植者的細胞貼附上這個「骨架」後，讓其自行生成組織網路，最後長成一個完整的器官。然而此方法仍有個弊端，就是必須有一個舊的器官當作骨架。然而，天生缺陷或是意外而造成器官殘破者，可能就不適用。因此本篇研究團隊希望透過對人體器官細胞結構的詳細了解，可為患者設計出具有功能的人工器官。最終希望能透過 3D 列印的方式「印」出一個新器官。

目前學術界常用的一種組織透明化染色的方法為 vDISCO（Nanobody,VHH-Boosted 3D Imaging of Solvent Cleared Organs) 全身免疫螢光及透明技術。該技術使用雷射掃描顯微鏡使小鼠身體成像呈現透明，同時該技術使用的奈米抗體（Nanobody，VHH）因為大小僅有傳統抗體的 1/10（15 kDa）而能輕易深入組織內部進行染色，並可讓癌細胞上攜帶的螢光蛋白訊號增強 100 倍以上，進一步得到全身的癌細胞轉移的病灶分布影像。然而 vDISCO 並不適用在人體器官透明化，因為人體器官多由像是膠原蛋白一類的不溶性分子（insoluble molecules）所組成，因此難以被打洞讓奈米抗體進入並染色。而本篇研究團隊的第一作者發現了名為 CHAPS 的界面活性劑，其可以在整個僵硬的人體器官中打洞，並讓抗體和染劑滲透到器官内部進行透明化和標記。

▲ 經過 CHAPS 處理後的人腦組織厚切片（16.5 x 16.5 x 1.5 cm、1.8 x 1.8 x 1.5 cm），染色後以層光螢光顯微術拍攝並掃描成像（7.5 x 5 x 0.4 cm，2 days）。

▲ CHAPS 可有效在器官打洞，讓抗體及染劑滲入。

▲ CHAPS 成功使人腦組織呈現透明澄清化（箭頭處）

在成功將人體器官組織進行透明澄清化後，接下來就要進行染色及觀察。作者成功的將厚度達 1.5 cm 的人腦組織切片進行染色，並藉由層光螢光顯微術獲取影像。同時為了因應較厚的組織切片，作者額外使用了更高等級的奈米抗體（Nano Antibody）中的強化型抗體（Nano Booster），Nano Booster 可結合至特定螢光蛋白，並將其訊號進一步的強化，以得到更清晰的影像，同時因為奈米抗體僅是傳統抗體的 1/10，因此能夠保證螢光訊號與實際目標蛋白位置不會有過多的偏差，解除影像失真的疑慮。

除了人腦組織，該研究團隊也挑戰將人類腎臟以 CHAPS 處理，並進行染色、拍照。而他們也成功得到了人類腎臟的細胞以及血管分佈的影像數據。同樣地使用了 Nano Booster 進行螢光訊號的放大，以得到清晰且能有效判斷距離深淺遠近的影像。

▲ 經過 CHAPS 處理後的人類腎臟細胞分析影像圖

        在成功研發出能有效將人體器官進行染色並觀察的方法後，接下來該研究團隊就要想辦法處理這些龐大的影像數據，並進行 3D 建模。於是該研究團隊與 Miltenyi Biotec 合作研發名為 Ultramicroscope Blaze 的新型雷射掃描顯微鏡（Laser-Scanning Microscope），該顯微鏡可以對類似腎臟等大型的人體器官進行成像。同時與 TUM 的教授：Bjoern Menze，一起開發深度學習演算法（Deep Learning Algorithm），可用3D技術分析數以億計的細胞。最後，該研究團隊將這一整套從染色到分析的新技術命名為 SHANEL（Small-micelle-mediated Human orgAN Efficient clearing and Labeling），該技術可使人體器官透明化、並可加以標記，在器官上標記出細胞和分子結構圖。該研究團隊也認為，SHANEL 將會發展成為繪製完整人體器官的關鍵技術，這將加快我們瞭解大腦等器官在健康和疾病的發展和功能。更重要的是，該團隊也離其最終目標：3D 生物列印，往前邁進了一大步。

Chromotek－Nanobody（VHH）領導品牌

https://www.ptglab.com/products/chromotek-nanobody-based-reagents/

參考資料：

1. Zhao S, Todorov MI, Cai R, Maskari RA, et al. Cellular and Molecular Probing of Intact Human Organs. Cell. 2020 Feb 20;180(4):796-812.e19. doi: 10.1016/j.cell.2020.01.030.
2. ChromoTek — 免疫螢光之訊號放大Nano-Booster

書報討論系列文章:

1. [書報討論系列文章] Cell Chemical Biology 沉默的頭號殺手與治療的契機－ 大腸癌與 k-ras 基因突變
2. [書報討論系列文章] 「根」不能被動搖－植物抗根部感染的蛋白（MIK2）