“VIVIT（基于離子液體的生物組織玻璃態(tài)透明化技術(shù)）能在不造成組織形變的前提下，使任意生物組織變得‘透明’，再結(jié)合蛋白、分子等多模態(tài)標(biāo)記與三維成像技術(shù)，可以獲取組織樣本跨尺度、超分辨的3D結(jié)構(gòu)信息，顛覆了傳統(tǒng)的生命科學(xué)研究范式。”近日，清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院教授苑克鑫在接受《醫(yī)學(xué)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示，VIVIT技術(shù)將為包括腦科學(xué)在內(nèi)的基礎(chǔ)研究、病理分析、AI輔助診斷等應(yīng)用打開(kāi)了新的空間。
8月11日，《細(xì)胞》發(fā)表了這一研究成果，首次提出并驗(yàn)證了一種全新的生物組織處理方法“VIVIT”，突破了組織透明化領(lǐng)域的三個(gè)技術(shù)瓶頸，即透明與無(wú)形變不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)、熒光信號(hào)衰減、不兼容無(wú)損冷凍保存與切片，實(shí)現(xiàn)了組織在玻璃態(tài)下的高保真三維成像。
物理切割帶來(lái)的局限性
三維組織結(jié)構(gòu)承載著豐富的生物信息，是理解生物體功能與疾病病理的核心依據(jù)。
但由于組織不透明、無(wú)法透光，研究者只能通過(guò)切片觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但為了避免切片過(guò)厚造成細(xì)胞結(jié)構(gòu)重疊，影響對(duì)關(guān)鍵細(xì)節(jié)的判斷，組織通常必須被切成僅3～5微米厚的超薄切片，相當(dāng)于一個(gè)細(xì)胞層的厚度。
“盡管切片操作已盡可能精細(xì)，傳統(tǒng)方法仍只能呈現(xiàn)組織在單個(gè)平面上的局部信息，空間表達(dá)能力極為有限。”苑克鑫表示。
而若想要完整還原三維結(jié)構(gòu)的空間信息、提升組織分析的深度和精度，研究者則需拼接上百甚至上千張超薄切片，不僅工作量巨大，也容易因物理切割帶來(lái)不可逆的組織形變。再加之操作誤差或組織本身過(guò)于脆弱，常會(huì)出現(xiàn)切片缺失、斷層等問(wèn)題，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，使真實(shí)的空間關(guān)系難以還原，空間關(guān)系信息嚴(yán)重缺失。
“這不僅耗時(shí)耗力，還容易因物理切割造成組織變形或結(jié)構(gòu)斷裂，導(dǎo)致空間信息缺失和誤判。”苑克鑫表示。
核心突破不止于“看得清”
隨著組織透明化技術(shù)逐步興起，通過(guò)化學(xué)方法使完整組織變得光學(xué)透明，進(jìn)而在不切片的前提下直接實(shí)現(xiàn)深層成像。
但，這也有必須面對(duì)的難題：處理過(guò)程組織膨脹收縮、熒光信號(hào)損耗、冷凍易損等。因此，目前多數(shù)方案仍在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、信號(hào)強(qiáng)度與染色處理等核心指標(biāo)上難以兼顧。
“VIVIT則為這一長(zhǎng)期困境提供了創(chuàng)新解決方案。”苑克鑫表示，與傳統(tǒng)組織透明化技術(shù)不同，VIVIT 并不僅僅追求“透明”，還盡可能保留組織原始的結(jié)構(gòu)與熒光信號(hào)。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)自主研發(fā)的高折射率離子液體，VIVIT首次實(shí)現(xiàn)了將不透光的生物組織在低溫下轉(zhuǎn)變?yōu)椤安ＡB(tài)”，既穩(wěn)定，又通透。在整個(gè)處理過(guò)程中，組織幾乎不會(huì)膨脹或收縮，形變幅度在1%以內(nèi)。即便是如腦組織這類結(jié)構(gòu)精密、連接復(fù)雜的樣本，也能在VIVIT處理后保持其原始結(jié)構(gòu)，從而使包括神經(jīng)突觸在內(nèi)的亞細(xì)胞級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)得以清晰呈現(xiàn)。
經(jīng)過(guò)VIVIT處理后的組織能夠在無(wú)形變的情況下實(shí)現(xiàn)透明化。
苑克鑫表示，VIVIT 的核心突破不止于“看得清”，也在于“保得住”和“用得上”。實(shí)驗(yàn)顯示，在經(jīng)過(guò)離子液體處理后，多種常見(jiàn)熒光染料的信號(hào)強(qiáng)度可提升至原始的2到30倍，使以往組織中難以檢測(cè)的微弱標(biāo)記也能清晰可見(jiàn)。
同時(shí)，由于其玻璃態(tài)的物理性質(zhì)，VIVIT也打破了生物樣本冷凍保存的限制，樣本可在-80℃下長(zhǎng)期保存，避免了因冰晶形成而導(dǎo)致的撕裂與機(jī)械性損傷，真正實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)無(wú)損的冷凍切片與高超分辨成像。
“VIVIT的結(jié)構(gòu)保真能力和信號(hào)穩(wěn)定性，為跨尺度組織三維數(shù)據(jù)獲取與空間重建奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”苑克鑫表示，基于VIVIT的這一獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)將小鼠多模態(tài)感覺(jué)丘腦神經(jīng)元在突觸輸入（微觀）方面的感覺(jué)模態(tài)偏好性與在全腦輸出（介觀和宏觀）方面的目標(biāo)腦區(qū)偏好性定量化地聯(lián)系了起來(lái)，而這也是國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)單神經(jīng)元水平輸入-輸出的準(zhǔn)確鏈接，突破了神經(jīng)環(huán)路研究領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，為深入解析腦功能的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制提供了新的機(jī)遇。
不僅如此，經(jīng)過(guò)VIVIT處理后的組織仍可進(jìn)行多輪免疫染色，且每一輪染色成像后的熒光信號(hào)依然清晰，組織結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。這就使得研究者能在同一樣本上依次識(shí)別多個(gè)分子靶點(diǎn)，獲取更豐富的空間信息。
與此同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合自研的重建算法TARS，VIVIT也支持組織連續(xù)切片的圖像拼接，可構(gòu)建從亞細(xì)胞到全器官的三維圖譜，實(shí)現(xiàn)生物結(jié)構(gòu)的跨尺度還原。
VIVIT整合宏觀到微觀的腦圖像。
有望成為下一代顛覆性技術(shù)
從組織透明化到多模態(tài)染色再到三維重建，VIVIT提出了一套貫穿樣本處理與空間結(jié)構(gòu)分析的完整技術(shù)路徑，為高分辨、跨尺度的空間數(shù)據(jù)獲取和組織建模提供了系統(tǒng)化解決方案。
苑克鑫認(rèn)為，作為一種融合無(wú)損透明化與多模態(tài)三維成像的底層工具，VIVIT 不僅提升了組織結(jié)構(gòu)解析的深度與精度，也為AI賦能的精準(zhǔn)醫(yī)療提供了數(shù)據(jù)底座。這主要表現(xiàn)為：
第一，在基礎(chǔ)研究方面，VIVIT技術(shù)可生成納米級(jí)分辨率的三維組織數(shù)據(jù)，幫助科研人員在空間組學(xué)研究中更清晰地觀察細(xì)胞和組織的空間結(jié)構(gòu)，為疾病機(jī)制研究、圖譜構(gòu)建等科研場(chǎng)景提供更高精度、更完整的數(shù)據(jù)底圖。
第二，在臨床病理方面，通過(guò)與多家醫(yī)院合作，基于真實(shí)病理樣本，可開(kāi)發(fā)臨床亟需的病理診斷技術(shù)和產(chǎn)品。VIVIT 可通過(guò)三維空間結(jié)構(gòu)的可視化表達(dá)，輔助疾病分型與關(guān)鍵病灶識(shí)別等場(chǎng)景，從而顯著提升臨床檢測(cè)效率及診斷準(zhǔn)確性。
VIVIT-RGB揭示胰腺癌組織結(jié)構(gòu)。
第三，在藥物開(kāi)發(fā)方面，VIVIT 技術(shù)可用于評(píng)估藥物作用下組織、靶點(diǎn)等的空間響應(yīng)特征，從而支持藥理、藥效、毒理等非臨床環(huán)節(jié)的效果驗(yàn)證，為藥效評(píng)估、靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、入組篩選等提供空間數(shù)據(jù)支持。
第四，在智慧醫(yī)療方面，基于三維空間數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)AI模型，通過(guò)臨床樣本訓(xùn)練其解讀空間信息的能力，可實(shí)現(xiàn)疾病的分類、分型與預(yù)后分析，并識(shí)別個(gè)體差異與治療反應(yīng)，從而支持個(gè)體化治療與用藥決策。
“VIVIT 技術(shù)通過(guò)無(wú)損透明化與多模態(tài)三維成像的融合，實(shí)現(xiàn)了生物組織從分子到整體結(jié)構(gòu)的全景解析。”苑克鑫認(rèn)為，該技術(shù)的價(jià)值不僅在于技術(shù)層面的突破，更在于為生命科學(xué)提供了一種全新的空間理解范式，有望繼基因測(cè)序與冷凍電鏡之后，成為下一代顛覆性技術(shù)。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還致力于將VIVIT技術(shù)與人工智能深度融合，構(gòu)建國(guó)內(nèi)首個(gè)集生物組織樣本處理、三維組織成像、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和診斷分析為一體的3D-AI空間生物學(xué)精準(zhǔn)診療平臺(tái)，進(jìn)一步推動(dòng)疾病精準(zhǔn)診療向更高維度發(fā)展，加速基礎(chǔ)研究成果向臨床落地的進(jìn)程，助力“可視、可解、可及”的精準(zhǔn)醫(yī)療體系構(gòu)建。
苑克鑫表示，我們還將繼續(xù)推進(jìn) VIVIT 技術(shù)在腦科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，并在更為廣泛的生命科學(xué)領(lǐng)域以及精準(zhǔn)醫(yī)療與智慧診斷等領(lǐng)域開(kāi)展應(yīng)用探索，釋放其空間結(jié)構(gòu)信息更大的科研與臨床應(yīng)用價(jià)值。（文中圖片均由研究團(tuán)隊(duì)提供）
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.07.023
本文鏈接：苑克鑫：為理解生命科學(xué)提供全新空間范式http://www.sq15.cn/show-11-24654-0.html
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