近年來，組織透明化技術的蓬勃發展，為生物醫學研究帶來了新的曙光。在生命科學的研究進程中，對生物組織內部精細結構和細胞間復雜關系的深入探究，始終是解鎖生命奧秘的關鍵所在。然而，生物組織的不透明性卻如同橫亙在科研道路上的巨石，極大地限制了研究的深度與廣度。組織透明化技術的應運而生，宛如一道曙光，為這一困境帶來了全新的解決方案。

研究背景與技術挑戰
生物組織具有復雜的三維（3D）結構，若想全面、深入地剖析其內部的細胞組成、組織結構以及細胞間的相互作用，獲取3D信息至關重要。光學顯微鏡具備出色的分辨率，理論上能夠清晰分辨組織中的細胞和亞細胞結構，為微觀世界的研究提供了有力工具。但生物組織的不透明性成為了難以逾越的障礙，傳統的組織學方法受限于此，無法直接借助光學顯微鏡觀察組織內部結構。

為了實現對組織內部的觀察，傳統組織學通常將組織切割并制備成眾多切片，再分別進行觀察。這種方法不僅耗費大量時間和精力，而且在切片過程中極易破壞組織原本的三維結構，導致獲取的信息存在局限性，難以完整呈現組織內部的真實情況。例如，在研究大腦神經回路時，切片觀察無法直觀展現神經元之間復雜的連接關系，就像拆解了一幅拼圖，難以還原其全貌。這一困境迫切需要一種創新技術來突破，組織透明化技術便在這樣的背景下逐漸興起。

組織透明化技術旨在使光線能夠順利穿透目標組織，從而實現對整個樣本進行無需物理切片的3D觀察。但在實現這一目標的過程中，面臨著諸多技術挑戰。從光學原理角度來看，光在組織內傳播時，會遭遇強烈的散射和吸收現象。組織中的各種成分，如蛋白質、脂質、核酸等，光學性質差異較大，導致光在傳播過程中不斷改變方向，發生散射；同時，組織內的色素，如血紅素、黑色素等，會吸收特定波長的光，進一步阻礙光的傳播。這些問題使得組織在光學顯微鏡下呈現出不透明的狀態，嚴重影響了成像質量和觀察效果。如何有效降低光在組織內的散射和吸收，成為組織透明化技術亟待解決的核心問題。

技術創新與應用
組織透明化技術在眾多領域都展現出了巨大的應用價值。在神經科學領域，它為研究復雜的神經回路提供了有力工具。借助該技術，科研人員能夠清晰地觀察到多巴胺回路、額葉皮層回路等神經通路的完整結構，深入了解神經元之間的連接方式和信息傳遞機制，為探索大腦的奧秘奠定了堅實基礎。

在癌癥研究方面，組織透明化技術也發揮著不可或缺的作用。通過對腫瘤組織進行透明化處理，研究者可以從三維視角觀察癌細胞的分布、侵襲和轉移情況，分析腫瘤組織的異質性，為癌癥的早期診斷、治療方案的制定以及藥物研發提供關鍵信息。對腫瘤組織進行透明化處理后，能夠清晰看到癌細胞在周圍組織中的浸潤范圍和轉移路徑，有助于醫生更準確地評估病情并制定個性化的治療方案。

研究結果：成就與挑戰并存
在對透明化組織進行三維成像時，常用的顯微鏡有共聚焦顯微鏡、多光子顯微鏡以及光片顯微鏡等。其中，光片顯微鏡在對大型透明化樣本進行快速三維成像方面具有獨特優勢。與傳統的線掃描顯微鏡相比，光片顯微鏡僅激發采集橫截面，有效避免了信號從切片平面外泄漏的問題，同時大大縮短了成像時間，提高了成像效率和質量。

在進行成像實驗時，為了清晰地觀察到細胞或組織的特定結構，需要對其進行適當的標記。常用的標記方法包括利用轉基因、基因敲入動物等遺傳工具，以及使用病毒載體將標記物導入細胞。此外，采用小分子染料和抗體進行組織學染色也是常見的選擇。但在進行3D組織染色時，面臨著一個技術難題：染色探針需要穿透組織并與目標結合，然而傳統的二維染色方法簡單延伸到三維時，往往難以獲得均勻的染色效果。

為了解決這一問題，研究團隊進行了深入探索。發現組織具有與電解質凝膠相似的物理化學性質，基于這一發現，通過結合模擬組織的人工凝膠和計算機模擬，篩選出了更優的3D染色條件，最終成功設計出了理想的3D染色方案“CUBIC-HistoVIsion（CUBIC-HV）”。該方案能夠使用各種抗體和染色劑對體積約為1cm³的3D組織標本（如整個小鼠大腦和人類大腦組織塊）進行均勻染色，使得在三維成像中能夠清晰地觀察到不同細胞類型和組織結構的細節。

深遠意義與未來展望
在基礎研究層面，打破傳統組織學局限，使科研人員能以全新視角觀察生物組織三維結構和細胞間關；在發育生物學中，通過對胚胎組織透明化處理與三維成像，可實時觀察胚胎發育時器官形成及細胞分化、遷移過程；在臨床應用上，能為癌癥、神經系統疾病等疑難病癥早期診斷提供更準確全面依據，通過對患者組織樣本透明化處理與三維分析，醫生可清晰觀察病變組織細微結構變化，提升診斷準確性與早期發現率。在治療監測方面，可用于評估藥物療效和疾病進展，如癌癥治療時，定期對腫瘤組織透明化分析，有助于醫生及時調整治療方案。

未來將技術優化上，提高透明度、加快處理速度、減少組織損傷，同時提升成像分辨率和深度，結合人工智能實現圖像數據自動化分析，并將與基因編輯、蛋白質組學、代謝組學等前沿技術深度結合。應用拓展不僅局限于生物醫學，還將向材料科學、植物學等領域延伸，為材料微觀結構觀察、植物生長發育研究提供新視角。

聲明：本文僅用作學術目的。文章來源于：Susaki E A. Basics and applications of tissue clearing technology[J]. TCIMAIL, 2022, 189: 9-14.