Bone Research 沈博实验室开发新型透明化三维成像技术，揭示骨髓微环境细胞复杂结构与功能

2025年1月13日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院沈博实验室与中国药科大学方慎彤实验室及北京脑科学与类脑研究中心赵瑚实验室合作，在《Bone Research》杂志发表了题为 “Deep imaging of LepR⁺ stromal cells in optically cleared murine bone hemisections" 的研究论文。该研究开发了一种高效便捷的组织透明化和三维成像技术，尤其适用于骨髓微环境的深层成像。

骨髓是维持成体造血干细胞（HSCs）和骨骼干细胞（SSCs）的重要场所，LepR⁺细胞（瘦素受体阳性间充质细胞）是成体骨髓中最重要的微环境细胞。LepR⁺细胞不仅分泌维持造血干细胞的关键生长因子（如SCF），而且成体骨髓LepR⁺细胞富集了骨骼干细胞（SSCs），可以自我更新维持并分化为脂肪细胞和成骨细胞。然而，由于骨组织的高度矿化特性，采用传统成像技术难以清晰地观察这些细胞的三维空间分布，从而限制了对骨髓微环境中细胞相互作用的研究。

在这项工作中，研究团队针对骨组织和骨髓的特殊性质，改进了固定、脱钙、脱脂和透明化步骤，将样本准备时间缩短至约11-12天，从而有效地简化了传统的组织透明化流程并提高了成像质量（见图1）。该技术已被有效应用于小鼠的多种骨骼组织（如股骨、肱骨、颅骨和胫骨），同时支持多色荧光标记的标记与观测，并可扩展至其他软组织（如脾脏和肺）的三维成像，助力揭示各个器官中稀有细胞（如成体干细胞）的空间分布及相互作用。

图1：骨组织透明化和三维成像技术流程图

骨髓中的LepR⁺细胞通过分泌造血干细胞生长因子和成骨生长因子，维持造血系统和骨骼的稳态。在过往研究中由于缺乏内源性识别LepR的单克隆抗体，限制了对LepR⁺细胞的原位研究。研究组与Abcam合作，开发了一种新型单克隆抗体（ab318272），该抗体在流式细胞术和免疫荧光染色中均表现优异，并可应用于人类样本中骨髓LepR⁺细胞的标记。

为进一步探究LepR⁺细胞的空间分布及其与其他细胞群体在骨髓微环境中的相互作用，作者构建了Lepr^mTagBFP2报告小鼠，实现了LepR⁺细胞的精准可视化。通过骨组织透明化和深层成像技术观察到LepR⁺细胞集中在骨髓内的血管周围（主要位于血窦龛，部分位于小动脉龛），而在骨内膜区域没有观测到LepR⁺细胞（见图2）。

图2：Lepr^mTagBFP2/+成体小鼠半骨组织的三维空间图像（a）

及不同深度的二维投影图像（b）

综上所述，这种新型透明化三维成像技术可以在骨骼及其他软组织中实现超过500 µm的成像深度，并且保持信号强度稳定。此外，研究提出的新型LepR单克隆抗体及Lepr^mTagBFP2报告小鼠，将为未来研究骨髓及其他组织中的LepR⁺细胞提供强有力的工具。

沈博实验室NIBS与北京师范大学联合培养的2023级博士生倪悦涵、2022级PTN项目清华大学博士生吴佳苗和中国药科大学的2022级博士生刘丰其为本文共同第一作者。赵瑚研究员、方慎彤教授和沈博研究员为本论文的共同通讯作者。本论文的其他作者还包括沈博实验室的孟祥娇、高祥、肖陆怡、周巍巍、褚澎、沈格、杨敏以及其他合作者。本研究得到了国家自然科学基金委、国家科学技术部、北京市科学技术委员会和北京生命科学研究所的资助。