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在生物医学领域中,如何实现完整组织的透明脱脂?

发布日期:2020/12/18 10:16:06


由于折射系数的不同,生物组织通常处于光学不透明的状态,因此脱脂步骤是组织透明化中的关键步骤。几乎所有流行的透明化技术中都存在某种形式的脂质去除步骤,例如CLARITY,iDISCO,SHIELD和CUBIC。就best365体育目前常用的SHIELD技术而言,采用了十二烷基硫酸钠(SDS)用于溶解细胞膜中的脂质,以改善组织的透明度。(同样的原理还体现在肥皂和洗涤剂可以有效地消灭细菌和病毒哦)


为了更好地理解这种机制,我们首先来看一下脂质膜和去污剂的物理结构。存在于哺乳动物细胞中的脂质膜被称为磷脂双分子层,脂双层由磷脂单体组成,其上分布着多种蛋白质和其他分子(图1),这些磷脂单体具有亲水性的头部和疏水性的尾部。当其形成双分子层时,亲水性头部面对细胞质和细胞外空间的水性环境,而疏水性尾部则被保护在脂双层的中心。

图1:磷脂单体与脂双层





在水溶液中,去污剂主要以两种形式存在:单体和胶束。当水溶液中的去污剂浓度低时,他们的存在形式为单体,这些单体看起来与磷脂非常相似,他们也具有亲水性头部和疏水性尾部(图2a)。随着去污剂浓度的增加,溶液最终将达到临界胶束浓度(Critical MicelleConcentration,CMC)。此时,较大的去污剂簇开始自发组装成胶束(图2b),但溶液中仍然存在一些去污剂单体,此时继续添加去污剂则会形成另外的胶束(图2c),形成的胶束与磷脂双分子层的原理相同。



图2:SDS和胶束的结构




那么去污剂实际上是如何溶解细胞膜的?我们以SDS为例,通常其机制为三步法。首先,去污剂单体进入脂双层的外层,其排列方式与磷脂相似(图3a)。插入的去污剂单体会在该层上引起机械应变,并使该层物理弯曲(图3b)。SDS会发生这种物理弯曲是因为它的触发速率很慢,这意味着去污剂单体从脂膜的外部翻转到内部需要花费较长的时间。因此,他们会积聚在膜的外侧。接下来,脂双层由于机械应变而达到断裂点,这会在膜上形成膜孔(图3c)。最后,去污剂单体继续分布在多孔结构中,并形成磷脂和去污剂的混合胶束,最终完全破裂并溶解脂膜(图3d)。

图3:SDS破裂细胞膜示意图




因为反应不是瞬间的,所以这一步骤需要时间,且需要单体和胶束扩散到样品中。例如,用SDS完全去除整个小鼠大脑的脂质大约需要一个月的时间。但是,利用主动式的透明化设备,例如best365体育的SmartClear II Pro,借助电泳可以大大加快该过程。在水中,SDS溶解为带正电的钠离子和带负电的去污剂单体和胶束。在电场的作用下,这些带电分子会受到电场力的作用,从而为渗透组织提供额外的加速度,这意味着该过程不再依赖于分子被动扩散到组织中。主动式的脱脂步骤可以将渗透速度提高大约一个数量级,现在我们利用SDS完全去除整个小鼠大脑的脂质只需要2-3天的时间,从而实现科学实验。



原文作者:Zachary Woods, M.E.

中文校对:best365体育应用工程师





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