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复旦团队首次实现阿尔兹海默症淀粉样蛋白沉淀的无标记显微检测

2018-11-18 21:26:00来源:央广网
  央广网上海11月18日消息(记者傅闻捷 通讯员边欣月)北京时间1117日,《科学·进展》(Science Advances)期刊在线发表了复旦大学物理学系教授季敏标课题组及其合作团队的研究成果。这篇以《受激拉曼显微技术用于阿尔兹海默症淀粉样斑块的无标记成像》(“Label-free imaging of amyloid plaques in Alzheimer’s disease with stimulated Raman scattering microscopy”)为题的论文,揭示了利用新型的受激拉曼显微成像技术对富含错折叠蛋白的淀粉样斑块进行无标记成像的技术进展。

  据悉,阿尔兹海默症(AD)是一种可导致痴呆的神经退行性疾病。在有关阿尔兹海默症疾病机理的众多假说中,淀粉样肽(Amyloid)假说认为是大脑中的Aβ蛋白发生了错折叠,引起级联反应,最终杀死神经元,形成了淀粉样蛋白沉淀。如此一来,针对淀粉样蛋白沉淀的观测则成为研究疾病的关键。目前的显微成像技术需要借助荧光剂或染料对蛋白斑进行标记,从而观测淀粉样斑块及脑组织图像,但像荧光剂这样的外来分子既有可能影响原本的生化过程,又不利于对新鲜组织的长时间观测。因此,发展无需引入外来分子进行标记的技术将有利于淀粉样蛋白沉淀的顺利研究,从而推动阿尔兹海默症的预防治疗进程。

  该工作由复旦大学季敏标课题组、哈佛大学谢晓亮课题组和美国麻省总医院(MGH)Brian Bacskai课题组合作完成。复旦大学物理学系为论文的第一完成单位,季敏标、谢晓亮和Bacskai为共同通讯作者。研究工作获得了复旦大学物理学系、应用表面物理国家重点实验室、国家重点研发计划、基金委面上项目和上海市科技创新行动计划的支持。

  技术进步:“要了解,首先要看到”

  有关阿尔茨海默症的统计显示,中国的保守数据有500万人,65岁以上人群发病率为5%,80岁以上发病率超过30%。而发病后,一般存活年限平均仅为5.5年,且绝大部分患者生活质量低下。针对阿尔兹海默症的精准诊断十分重要。

  要想观测形成于阿尔兹海默症患者脑中的蛋白沉淀,通常需要加入一个标记,因为蛋白沉淀跟其他物质之间的区别不甚明朗,所以需要用染料让特定的结构(蛋白沉淀)显现出特定的颜色,使得目标发光。但是这种方法存在显著缺点:外来分子如荧光剂等,本身并不稳定,不仅会随时间的推移发生变化,还很有可能影响观测对象的本身的性质,使其发生改变。

  有没有可以不加染料、不引入外来分子的干涉,直接准确地观察淀粉样蛋白沉淀本来面目的方法? 

  受激拉曼散射(SRS)显微技术是谢晓亮课题组于2008年研发的新型成像技术,可利用分子中化学键/基团的光谱性质进行选择性成像。各个不同的分子就像不同的电台一样,拥有自己的振动频率,在知道想听哪个频道的前提下去寻找便容易许多。提前设定已知分子的振动频率,再去探测这种分子,便是受激拉曼散射(SRS)显微技术的诀窍。

  由于阿尔兹海默症患者的蛋白发生了错折叠,导致其分子频率发生了变化,产生了小范围的位移,于是提前设定好蛋白发生错折叠后的频率,就可以将其与正常蛋白区分出来。

  “要了解一个东西,首先需要看到它。”季敏标介绍,课题组将受激拉曼散射(SRS)显微技术用于阿尔兹海默症的蛋白沉淀观测。相比加入荧光剂来观测蛋白沉淀,受激拉曼散射(SRS)显微技术由于只依赖分子本身的性质,并不会受到光漂白的影响,也没有任何外来物质的干扰,还不需要对样品做出一些很复杂的处理,因此更适合做长时间的活体观察。

  为了进一步验证该技术的准确性,研究团队在同一张组织切片中对比受激拉曼成像与加入标记后显现的图像,结果表明两者对淀粉样斑块的检测能力几乎相同。此外,课题组还在新鲜组织中对比了受激拉曼成像和用染料标记的荧光成像结果,发现两者对斑块形态的检测完全一致。由此可见,受激拉曼散射(SRS)显微技术与传统的借助荧光剂对目标进行标记的方法在结果上是相同的。

  学科交叉:物理学与生物医学碰撞形成研究新思路

  SRS作为一种不需要引入外来物质进行标记、高灵敏度和分子选择性的显微技术被越来越广泛的应用于生物医学研究,包括脂质代谢、肿瘤探测和快速病理检测等领域。通常来说,SRS可以很好地区分几大类生物大分子(如脂质、蛋白质和核酸等),因此可以从技术层面帮助人们更好地理解阿尔兹海默症的发展过程,为优化阿兹海默症等疾病诊断方法提供全新的技术手段,也为疾病的治疗与预防带来新的可能。

  

  图(a)受激拉曼显镜示意(b)酰胺I谱区测得的淀粉样斑块及脑组织图像。蓝色:普通蛋白;绿色:脂质;紫色:淀粉样蛋白。(c)对应的CH谱区图像,只能区分总蛋白(紫色)和脂质(绿色)。(央广网发 复旦大学提供)

  有趣的是,课题组在SRS图像中发现,每个淀粉样斑块周围都形成了富含脂质的晕状结构。“这种现象从未被之前的标记方法所观察到,因为它们往往只标记固定蛋白的结构。而SRS不受此限制,观察的范围更广阔,因而可以发现被标记对象之外的更丰富的组织形态和化学组分信息。”季敏标说。

  物理学光学与生物医学携手,为阿尔滋海默症的研究提供全新技术支持。该项研究成果首次将受激拉曼成像技术用于探测不同二级结构的蛋白分子,为阿尔兹海默症的研究提供一种新的思路;同时,该方法也有望用于探索其他与蛋白错折叠相关的神经退行性疾病,包括帕金森和亨丁顿疾病等。

  季敏标课题组主要从事非线性光谱学和生物医学光子学研究。在生物医学光子学领域主要发展多种非线性光学显微成像技术,并将它们应用于肿瘤组织病理学检测和脂质代谢等生物医学问题;在非线性光谱学领域主要研究新型二维材料的非线性光学性质,以及材料的超快载流子和声子动力学等。

 
 
编辑: 林馥榆

复旦团队首次实现阿尔兹海默症淀粉样蛋白沉淀的无标记显微检测

北京时间11月17日,《科学·进展》(Science Advances)期刊在线发表了复旦大学物理学系教授季敏标课题组及其合作团队的研究成果。这篇以《受激拉曼显微技术用于阿尔兹海默症淀粉样斑块的无标记成像》(“Label-free imaging of amyloid plaques in Alzheimer’s disease with stimulated Raman scattering microscopy”)为题的论文,揭示了利用新型的受激拉曼显微成像技术对富含错折叠蛋白的淀粉样斑块进行无标记成像的技术进展。

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