眼睛是心灵的窗户。如果骨骼上有这样一个窗口，那么我们就可以看透骨髓，更好地研究它的发育和相关疾病。现在，美国加州理工学院开发的一项新技术可以让整个骨骼变得“透明”，使研究人员能够用光学显微镜直接观察骨髓中的干细胞。这一技术突破发表在《科学》的子刊《Science Translational Medicine》中，将使人们能够更好地测试治疗骨质疏松症等骨骼疾病的药物的疗效。
在健康的骨骼中，新骨的成骨细胞和旧骨的破骨细胞之间存在着动态而微妙的平衡。这个过程部分由骨髓中的干细胞控制，这种干细胞被称为骨祖细胞。祖细胞可以分化为成骨细胞和成骨细胞来调节和维持骨骼系统。这种机制对于骨骼的健康非常重要。骨的持续净流失会增加骨折的风险，导致骨质疏松。为了有效地应对这种疾病，我们必须研究骨髓中干细胞的行为。然而，这种罕见的细胞群体在整个骨骼中的分布是不均匀的。
骨骼的动态调节(来源：《Nature Medicine》)
“由于骨干细胞群体的稀缺，很难从几个骨切片的观察中推断出它的总数和位置，”这篇文章的共同第一作者Alon Greenbaum博士说。“另外，骨切片的取样过程本身会导致骨丢失，破坏骨干细胞复杂的微环境，所以我们还是需要能够在完整的骨组织中进行观察。”
为了做到这一点，作者采用了CLARITY技术。最初由Alon Greenbaum博士开发，当时他仍在斯坦福大学做博士后研究，这种方法可以使大脑等软组织透明。CLARITY技术将去除细胞中不透明的脂质分子，同时导入透明的水凝胶提供结构支撑。后来，加州理工学院Alon Greenbaum博士的团队扩大了这项技术的应用范围，使整个老鼠体内的软组织变得透明。现在，该团队决定更进一步，找到了一种让骨骼这样的硬组织变得透明的方法，即骨骼透明度。
透视骨成像的骨清晰技术(来源：《Science Translational Medicine》)
研究人员已经构建了转基因小鼠，其骨祖细胞被红色荧光标记，因此这些Sox 9-TD番茄骨祖细胞可以光学成像。就这样，对小鼠的股骨、胫骨和脊柱的骨骼进行了取样，每个样本的长度都在几厘米左右。然后，研究人员从骨头中取出钙，因为钙会使骨组织不透明。之后将骨样本倒入水凝胶中，蛋白质、核酸等细胞成分被固定在原来的位置，样本的结构得以保留。最后，他们用一种温和的清洁剂流过整个骨骼样本，洗掉脂质，最终使骨骼变得透明。研究小组还专门开发了一种定制的光片显微镜，对经过处理的骨骼样本进行快速高分辨率成像，以避免荧光信号的衰减。在骨骼样本中，我们可以清楚地看到红色荧光标记的骨祖细胞。
为了将骨骼清晰度付诸药物开发实践，研究人员与安进公司合作，测试了一种正在开发的治疗骨质疏松症的新药，这是一种针对硬化蛋白的抗体。
“我们在安进的合作者在研究中提供了一种可以增加骨量的新药，”这篇文章的第一作者、研究生Ken Y. Chan说。“然而，这种药物对干细胞群体的影响尚不清楚，我们认为它可能促进干细胞的增殖。”为了验证这一点，研究人员给一组小鼠注射了硬化素抗体，然后将它们的脊柱与骨骼清晰的对照组进行了比较。“我们已经看到这种药物确实增加了干细胞的数量，”他说。“监测干细胞对这些药物的反应至关重要，因为最初的干细胞增殖肯定是必要的。由于骨骼正在再生，长期的干细胞增殖可能会导致癌症。”
此外，这项技术还将有助于理解骨骼与身体其他部位之间的相互作用。
文章作者薇薇安娜格拉迪纳鲁教授(图片来源：加州理工学院)
“生物学家已经开始意识到骨骼的作用不仅仅是结构支撑，”文章作者Viviana Gradinaru教授说。“例如，来自骨骼的激素被送到大脑来调节食欲。此外，颅骨与大脑的接口是神经科学中的一个重要研究方向。我们希望骨骼清晰技术能够在理解这些重要器官的内部运作机制方面创造新的突破。”
参考资料：
[1]骨清晰度：完整骨髓内骨原细胞的清除、成像和计算分析
[2]透明的骨骼使研究人员能够观察骨骼内部的干细胞