雷射捕獲顯微切割技術獲得獲得首張心臟神經元3D圖

2020-12-17 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：據外媒5月26日報導，託馬斯傑斐遜大學利用雷射捕獲顯微切割技術獲得首張老鼠的3D心臟神經元圖片。有了這一技術之後，我們就可以清楚的知道心臟中的某一神經元的具體位置，這樣我們就可以在此基礎之上建立和解決許多問題，如如何在某一位置建立刺激，或者對某一特定的神經元進行刺激會產生什麼效果？

圖1 數據圖像的獲取和建立的示意圖

圖2 雄性老鼠心臟後部的3D重建圖

圖3 雷射捕獲顯微切割技術進行重·建的3D雄性老鼠的心臟，顯示出心臟內神經元分布和佔據的範圍

我們的心臟的正常的功能是靠我們的控制中心-大腦來進行指揮的，通過一種錯綜複雜的神經網絡來實現的。如果這個通訊被打亂而發生紊亂的話，就會導致心臟疾病，如心臟病發作、心臟性猝死以及供血出現問題等。為了對心臟進行保護，心臟自己還有一個屬於自己的「小腦」，醫學上稱之為心內神經系統（ intracardiac nervous system (ICN)）來控制和校準任何在通訊中發生的任何局部的紊亂問題。ICN在保證心臟健康中具有十分重要的作用，同時會在心臟受到損傷的時候起到保護心肌的作用。但直到今天，我們尚不清楚ICN是如何工作甚至又是如何起到這一保護作用的。這是因為ICN的神經元的組織並沒有得到很好的理解和掌握。我們並不知道它到底位於心臟的何處、他們又是如何具體連接在一起的、它們的分子性質又如何等等。

圖4 哺乳動物心臟——心肌（cardiacmuscle）

在5月26日發表在《iScience》上的一項開創性研究工作中指出，來自美國託馬斯傑斐遜大學（Thomas Jefferson University ）的研究團隊通過雷射捕獲顯微切割技術獲得首張3D心臟神經元圖片，這一前所未有的細節可以幫助我們來回答以上面臨的問題。

「我們所理解的ICN呈現出一個 大的空隙，介於神經和心臟之間，」，該研究團隊的成員說：我們的目的就是要在他們之間建連接以便為ICN的解剖結構提供便利。

人體器官中另外一個需要如此詳細的高解析度3D圖的是我們的大腦，實際上我們所創建的是首次給出了全面的心臟神經系統的路線圖，可以為研究人員作為在很大範圍內解決ICN的功能、生理學以及不同神經元之間的連接性等問題。

在這次研究中，研究人員使用了一種叫做刃口掃描電鏡的技術（刀口掃描顯微鏡（KSEM），利用該技術可以將整個嚙齒類動物的心臟進行精確的3D模型的重建，也是首次採用這種技術應用於心臟的研究。第二個新技術的應用就是利用雷射捕獲顯微切割技術（laser capture microdissection ）來獲取基因分析所用的單個樣本神經元，同時可以利用心臟的3D結構來確定單獨神經元的具體位置。

圖5 矢狀心臟 的ICN的部分空間投影

「由於以前沒有人採用同樣的工作開展這一研究，我們在研究過程中也曾經懷疑過是否能夠解決這一問題」，文章的合作者說道：「心臟，並不像大腦，不是對稱的，因此我們不得不考慮如何保證在影像建立過程中的一致性」。

這一3D重建的圖像是迄今為止首次揭示出ICN的複雜性。可以清晰的顯示出心臟上下周圍的神經的具體分布和形狀。

圖6 空間投影輪廓和ICN矢狀像板顯示出心臟上下範圍的神經

研究人員同時對雌性和雄性老鼠的心臟3D圖進行了比較研究，發現神經的排列組合具有性別上的差異，不管是在空間排列上還是在基因的表現形式上均存在差別。「這一發現可以幫助我們解釋男人和女人產生心臟疾病時為什麼會存在差異，」 Moss說道，系該論文的一個研究合作者，系生物化學和分子藥理學的博士生，「我們也正在積極的開展創建豬心臟的內在神經系統3D模型的建立，這一模型的建立在解剖學上更接近人類的心臟，從而會幫助我們在問題的認識上理解的更透徹」。

這一研究項目是NIH的一個研究項目的一部分，這一項目名稱為：刺激外周活動以釋放的條件（簡稱SPARC），其目的就是為了促進治療器械的發展以調節神經中的腦電活動，進而促進器官的功能的完善大約在30多年以前，人們就發現了外周活動如交感（迷走）神經對器官（心如髒）的健康非常重要，刺激它們可以緩解疾病的症狀，這同我們在康復時使用理療有點類似。但以前的研究工作並沒有告訴我們在刺激的時候，需要達到何種程度、採用多少頻率和刺激的具體位置是有益的還是有害的。

圖7 人體中的交感（迷走）神經

有了這一技術之後，我們就可以清楚的知道心臟中的某一神經元的具體位置，這樣我們就可以在此基礎之上建立和解決許多問題，如如何在某一位置建立刺激，或者對某一特定的神經元進行刺激會產生什麼效果？

目前這一技術對其他器官的3D重建，不僅僅限於神經元，對其他微結構也同樣有效。

圖8 老鼠心臟的神經元簇的識別

最終我們希望通過人類心臟的3D圖像重建，不管是對於健康保健還是疾病的治療研究，均非常有益，這一成果為將來的無限研究上的可能性奠定了基礎。

備註： 雷射捕獲顯微切割技術（Laser-capture microdissection）：是利用雷射在顯微鏡下切割單細胞或小簇細胞的一種技術。目的是為獲取純的特異性的細胞用於診斷、預後及科研。

參考文獻

1.https://www.britannica.com/science/cardiac-muscle

2.https://www.britannica.com/science/vagus-nerve

來源：iScience, Achanta et al.: "A Comprehensive Integrated Anatomical And Molecular Atlas Of Rat Intrinsic Cardiac Nervous System" www.cell.com/iscience/fulltext … 2589-0042(20)30325-4 , DOI: 10.1016/j.isci.2020.101140

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