适用于荧光高分辨成像的大体积样本塑性包埋方法研究

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在全脑范围内完整地获取神经元的精细结构和蛋白分布信息,对理解大脑复杂的神经网络连接和神经信号传递机制十分重要。荧光标记与大体积成像技术的发展为大脑中神经元结构和蛋白分布的可视化提供了有力的手段。由我们实验室发展的荧光显微光学切片断层成像技术,能够对小鼠全脑进行高分辨率的遍历式成像,以亚微米的分辨率获得了荧光蛋白标记的小鼠全脑高分辨率数据集,引起了国内外广泛地关注。  取得这一进展的关键之一,是在成像前对荧光蛋白标记的小鼠全脑进行塑性包埋,以利于全脑范围内高分辨率切削成像。所用的包埋方法,是在实验室以前发展的大体积塑性包埋方法基础上改进而来,提高了立方厘米尺度的大体积样品的荧光保持率。然而,这种荧光样品的塑性包埋方法仍然存在包埋结果不稳定、脑组织局部出现神经元精细结构丢失等问题。此外,塑性包埋方法能否适用于大体积免疫荧光标记的样本,目前也尚不明确。  围绕上述问题,本文首先发展和优化了现有的荧光蛋白标记大样本的塑性包埋方法,建立了标准化的样品制备流程,提高了样品制备的稳定性和可重复性。针对大体积免疫荧光标记样本,研究了大体积免疫荧光标记技术与塑性包埋技术的兼容性,建立了大体积免疫荧光标记样品的塑性包埋方法。主要的研究内容与结论如下:  (1)建立能够保持神经元精细结构的大体积塑性包埋方法和标准化实验流程。对大体积塑性包埋工艺进行了测试和优化,通过延长PFA后固定时间至48小时减小了小鼠全脑样品中神经突起结构的扭曲变形。验证了在4℃环境下脱水有利于更好地保持神经突起的荧光信号。优选了Lowicryl HM20树脂,并对树脂的聚合工艺进行了改进,从而更好地保留了鼠脑皮层边缘的神经元顶树突等精细结构,同时还更好地保持了神经元的膜结构和亚细胞结构。本研究在此基础上制定出了标准化的小鼠全脑塑性包埋流程。  (2)适用于高分辨成像的大体积免疫荧光标记样品塑性包埋方法研究。定量研究了免疫荧光探针在树脂中的荧光保持情况,发现免疫荧光探针在GMA和Lowicryl HM20树脂中保持较好,而在LR White树脂中荧光保持较差,荧光探针在树脂包埋前后荧光强度有不同程度的变化。评估了树脂的连续切片性能,结果显示Lowicryl HM20树脂具有更好的切片性能。研究了iDISCO免疫染色技术与Lowicryl HM20树脂包埋的兼容性,发现该包埋方法能够很好地兼容多种免疫标记抗体和荧光示踪剂标记的脑组织,能够用于高分辨率遍历性切削成像。进一步采用小鼠全脑和猴脑皮层组织进行了大体积免疫荧光标记与高分辨成像,验证了该方法的有效性。  本研究建立的Lowicryl HM20树脂包埋方法,其包埋样品的质量稳定性与细节保持程度,较以前的方法有显著提高。现已稳定用于国内外多家科研机构,推进了相关的研究工作。该方法将为获取高分辨率的神经回路数据提供支撑作用,不仅在脑科学中有重要的应用前景,在生命科学的其它领域也有重要的意义。
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