创新颅骨清除技术无需开颅即可实现活体脑无创高分辨率成像
2025-11-18 来源:本站 点击次数:139本文介绍了一项名为SeeThrough的创新颅骨清除技术，该技术通过理性设计的折射率匹配溶液，实现了无需移除颅骨的活体脑成像。传统脑成像方法如开颅手术虽能提供高分辨率图像，但易引发炎症反应和组织损伤，而现有颅骨光学清除技术则因成像质量不足难以广泛应用。SeeThrough技术通过系统筛选1600多种化学物质，开发出一种混合水基和有机溶剂基的折射率匹配溶液（woRIMS），不仅匹配颅骨的高折射率（1.56），还具备良好生物相容性，使得小鼠脑成像的灵敏度和对比度与开颅窗成像相当。该技术支持双光子成像、深度达400微米的体积成像、长达一个月的纵向监测以及多皮层区域的细胞分辨率活动记录，为神经科学研究提供了高吞吐量、生理状态保持完整的成像平台。
该研究由Xinyi Liu、Motokazu Uchigashima、Ikumi Oomoto、Yoshihito Saito、Hitoshi Uchida、Shinya Oginezawa、Keiko Masuda、Daisuke Satoh、Manabu Abe、Kenji Sakimura、Yoshihiro Shimizu、Masanori Murayama、Kazuki Tainaka和Takayasu Mikuni等作者共同完成，论文标题为“SeeThrough: a rationally designed skull clearing technique for in vivo brain imaging”，于2025年8月在《Nature Communications》期刊。
重要发现
01核心贡献与实验设计
SeeThrough技术的核心贡献在于开发了一种新型折射率匹配溶液（woRIMS），成功解决了颅骨光散射导致的成像模糊问题。研究团队通过系统筛选1600多种化学物质，基于汉森溶解度参数（HSP）和 hydration score 数据分析，理性选择了苯甲醇（benzyl alcohol）作为有机溶剂基成分和安替比林（antipyrine）作为水基成分，形成混合溶液。这种溶液通过水性中间溶剂（AqIS，如75%乙醇尿素饱和溶液）增强相容性，避免相分离，最终实现折射率1.56的匹配目标，与小鼠颅骨组织折射率一致。
实验过程包括体外和体内验证。在体外测试中，使用分离的小鼠颅骨比较SeeThrough与其他清除方法（如USOCAT和甲醇-BABB法）的透光度。结果显示，SeeThrough处理的颅骨透光度达95.1%，与高清除效率的甲醇-BABB法（95.8%）相当，显著优于传统水基方法（9.7-44.4%）。体内实验则通过双光子显微镜对活体小鼠进行成像，比较SeeThrough技术与开颅窗成像的效果。研究人员在相同小鼠上先后通过未处理颅骨、SeeThrough处理颅骨和开颅窗成像，分析血管结构和神经元标志物tdTomato的荧光信号。结果表明，SeeThrough大幅提升了成像灵敏度和信噪比，其荧光强度半高宽（FWHM）与开颅窗无显著差异，证明成像质量相当。
02成像性能与生物相容性在功能性成像方面，SeeThrough技术成功监测了神经元钙离子活动。通过表达jGCaMP8f的转基因小鼠，研究人员在初级运动皮层记录树突分支的自发钙信号，发现SeeThrough与开颅窗实验的荧光变化率（ΔF/F）无显著差异，表明该技术能可靠捕捉微小细胞结构的活动。此外，SeeThrough还实现了内源性蛋白（如CaMKIIα-mEGFP）的亚细胞定位成像，灵敏度与开颅窗相当。
生物相容性评估显示，SeeThrough试剂对脑组织渗透极低。使用检测试剂盒和液相色谱-质谱法（LC-MS）测量脑皮层中试剂浓度，结果发现EDTA、SDBA、乙醇和尿素等成分的浓度与阴性对照（PBS处理）相近或低于检测限，而安替比林的渗透浓度小于1μM，远低于其半数抑制浓度（IC50=860μM），药理学影响可忽略。炎症反应测试中，通过Iba1-tdTomato转基因小鼠和GFAP免疫组化分析，发现SeeThrough处理24小时后小胶质细胞和星形胶质细胞未激活，而开颅手术（尤其伴硬脑膜切除）则引发显著炎症。动物健康方面，重复SeeThrough处理一个月未影响小鼠生存或体重增长，颅骨组织机械强度保持稳定，证明技术安全可靠。
创新与亮点
01突破成像难题
SeeThrough技术突破了活体脑成像中长期存在的颅骨光散射难题。传统开颅手术虽能提供高质量图像，但操作复杂、易引发炎症且难以用于大规模或长期实验；而现有颅骨清除方法多依赖单一水基或有机溶剂基溶液，折射率匹配不足（通常为1.36-1.51），导致成像质量低下。SeeThrough通过创新性地混合水基和有机溶剂基成分，利用AqIS作为相容剂，首次实现了高折射率（1.56）匹配与生物相容性的平衡，使得无需颅骨移除的成像灵敏度与开颅窗相当。这一设计避免了有机溶剂脱水过程的毒性，同时克服了水基溶液溶解度限制，为活体成像提供了新思路。
在技术层面，SeeThrough结合快速渗透步骤（如CUBIC-B脱钙和SDBA脱脂），可在60分钟内完成颅骨清除，成像立即进行，操作简便且可重复。其应用价值体现在多个方面：首先，在神经科学基础研究中，该技术支持深度达400微米的体积成像、长达一个月的树突棘动态追踪以及发育大脑（如出生后3周）的纵向监测，为神经网络分析提供数据；其次，在临床前研究中，SeeThrough能无创监测脑边界区域（如脑膜巨噬细胞和血管周空间），有助于研究神经免疫交互和类淋巴系统动力学，这些区域在开颅手术中易受损。例如，通过示踪剂成像，SeeThrough清晰显示了脑脊液沿血管周的流动，而开颅窗则因组织压迫导致血流异常。
此外，SeeThrough与宽场双光子显微镜（如FASHIO-2PM）结合，实现了多皮层区域的细胞分辨率活动记录。在实验中，研究人员以7.65赫兹速率监测了728-2965个神经元的钙信号，并通过偏相关分析揭示了局部和长程神经网络链接，凸显了其在系统神经科学中的高通量潜力。相比开颅手术，SeeThrough技术对操作者技能要求低，成功率高，尤其适合非专家使用，有望推动脑成像技术的普及化和标准化。
总结与展望
SeeThrough技术通过理性化学设计，成功开发出一种高效、生物相容的颅骨清除方法，为活体脑成像提供了最小侵入性、高分辨率的解决方案。该技术不仅成像质量与开颅窗相当，还能保持脑组织生理完整性，支持从微观细胞活动到宏观网络分析的多尺度应用。未来，SeeThrough有望与自适应光学或三光子显微镜结合，进一步纠正颅骨曲率带来的像差，提升深部成像质量；在医疗领域，它或将成为研究神经退行性疾病、脑损伤和免疫应答的重要工具，推动精准医疗发展。尽管目前需在每次成像前重新清除，但未来开发高折射率树脂封装技术可能实现长期透明颅骨窗口。总体而言，SeeThrough以其简单性和 versatility，将加速神经科学探索和脑疾病治疗策略的创新。
声明：本文仅用作学术目的。
Liu X, Uchigashima M, Oomoto I, Saito Y, Uchida H, Oginezawa S, Masuda K, Satoh D, Abe M, Sakimura K, Shimizu Y, Murayama M, Tainaka K, Mikuni T. SeeThrough: a rationally designed skull clearing technique for in vivo brain imaging. Nat Commun. 2025 Aug 26;16(1):7584.
DOI:10.1038/s41467-025-62836-1.