新的成像方法将血液干细胞置于高分辨率聚光灯下

　　

   

   

在一个大型的3D电子显微镜数据集中追踪特征，揭示了斑马鱼血液干细胞(绿色)及其周围的生态位支持细胞，这一组照片的方法将有助于研究人员了解促进血液干细胞健康的因素，这反过来可能有助于开发血液疾病和癌症的治疗方法。    

图片来源:Keunyoung Kim

借助显微镜和斑马鱼的一点帮助，研究人员第一次可以获得单个血液干细胞的高分辨率视图。威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)和加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)的研究人员已经开发出一种方法，让科学家追踪活生物体中的单个血液干细胞，然后用电子显微镜描述同一细胞的超微结构或结构。这项新技术将帮助研究人员开发血液疾病和癌症的治疗方法。

“目前，我们用有限数量的标记和低分辨率研究组织中的干细胞，但我们遗漏了很多信息，”Owen Tamplin说，他是威斯康星大学麦迪逊分校细胞与再生生物学系的助理教授，干细胞与再生医学中心的成员，也是8月9日发表在eLife上的这项新研究的合著者。“使用我们的新技术，我们现在不仅可以看到干细胞，还可以看到周围所有的生态位细胞。”

生态位是在骨髓等组织中发现的一种微环境，骨髓中含有支持血液系统的造血干细胞。小生境是血液干细胞及其邻近细胞每秒发生特殊相互作用的地方，但这些相互作用很难追踪，也没有清楚地了解。作为这项新研究的一部分，Tamplin和他的共同主要作者、加州大学圣地亚哥分校的神经科学教授Mark Ellisman确定了一种方法，可以整合多种类型的显微镜成像来研究细胞的生态位。通过使用共聚焦显微镜、X射线显微镜和连续块面扫描电子显微镜的新技术，研究人员现在将能够跟踪在这个空间中发生的曾经难以捉摸的细胞-细胞相互作用。

Tamplin说:“这使我们能够识别微环境中我们甚至不知道与干细胞相互作用的细胞类型，这开辟了新的研究方向。”

作为这项研究的一部分，Tamplin和他的同事，包括共同第一作者Sobhika Agarwala和Keunyoung Kim，确定了多巴胺β -羟化酶阳性神经节细胞，这是以前在血液干细胞生态位中没有特征的细胞类型。这是至关重要的，因为了解多巴胺等神经递质在调节血液干细胞中的作用可能会改善治疗方法。“移植的血液干细胞被用作许多血液疾病和癌症的治疗手段，但血液干细胞非常罕见，很难在活体中找到，”Tamplin说。“这使得描述它们的特征以及理解它们如何与邻近细胞相互作用和连接变得非常具有挑战性。”虽然血液干细胞很难在大多数生物体内找到，但斑马鱼的幼鱼是透明的，为研究人员提供了一个独特的机会，更容易观察血液干细胞龛的内部工作。Tamplin谈到斑马鱼的透明特征时说:“斑马鱼的好处是能够对细胞进行成像。在哺乳动物中，血液干细胞在子宫内的骨髓中发育，这使得基本上不可能实时看到这些事件的发生。但是，在斑马鱼身上，你实际上可以看到干细胞通过循环到达，找到生态位，附着在上面，然后进入并停留在那里。”

斑马鱼的幼鱼使人们更容易看到血液干细胞的发育，但需要专门的成像来发现这样的小细胞，然后详细描述它们的超微结构。Tamplin和他的同事们花了6年多的时间完善这些成像技术。这使得他们能够在活体的微环境中观察和跟踪血液干细胞的实时发育，然后用电子显微镜进一步放大同一细胞。“首先，我们通过光片或共聚焦显微镜识别单个荧光标记的干细胞，”Tamplin说。“接下来，我们对相同的样本进行了连续块面扫描电子显微镜检查。然后我们对齐了3D光和电子显微镜数据集。通过交叉这些不同的成像技术，我们可以看到组织深处单个罕见细胞的超微结构。这也使我们能够找到周围所有与血液干细胞接触的利基细胞。我们相信我们的方法将广泛应用于许多系统中的相关光学和电子显微镜。”

Tamplin希望这种方法可以用于许多其他类型的干细胞，如肠道、肺和肿瘤微环境中的干细胞，这些地方的罕见细胞需要在纳米分辨率下进行表征。但是，作为一名发育生物学家，Tamplin尤其兴奋地看到，这项工作可以提高研究人员对血液干细胞微环境形成的理解。

Tamplin说:“我认为这是非常令人兴奋的，因为我们所有的血液干细胞都是在胚胎发育期间产生的，取决于你是什么生物体，几百个或几千个干细胞最终会在你的一生中每天产生数千亿个新的血液细胞。但我们真的不太了解干细胞是如何首先在生态位中找到它们的家的，它们将在那里度过余生。这项研究将真正帮助我们了解干细胞的行为和功能。更好地理解干细胞的行为，以及周围小生境细胞的调控，可能会改善基于干细胞的治疗。”