Bone Research 沈博實驗室開發新型透明化三維成像技術，揭示骨髓微環境細胞復雜結構與功能

2025年1月13日，北京生命科學研究所/清華大學生物醫學交叉研究院沈博實驗室與中國藥科大學方慎彤實驗室及北京腦科學與類腦研究中心趙瑚實驗室合作，在《Bone Research》雜志發表了題為 “Deep imaging of LepR⁺ stromal cells in optically cleared murine bone hemisections" 的研究論文。該研究開發了一種高效便捷的組織透明化和三維成像技術，尤其適用于骨髓微環境的深層成像。

骨髓是維持成體造血干細胞（HSCs）和骨骼干細胞（SSCs）的重要場所，LepR⁺細胞（瘦素受體陽性間充質細胞）是成體骨髓中最重要的微環境細胞。LepR⁺細胞不僅分泌維持造血干細胞的關鍵生長因子（如SCF），而且成體骨髓LepR⁺細胞富集了骨骼干細胞（SSCs），可以自我更新維持并分化為脂肪細胞和成骨細胞。然而，由于骨組織的高度礦化特性，采用傳統成像技術難以清晰地觀察這些細胞的三維空間分布，從而限制了對骨髓微環境中細胞相互作用的研究。

在這項工作中，研究團隊針對骨組織和骨髓的特殊性質，改進了固定、脫鈣、脫脂和透明化步驟，將樣本準備時間縮短至約11-12天，從而有效地簡化了傳統的組織透明化流程并提高了成像質量（見圖1）。該技術已被有效應用于小鼠的多種骨骼組織（如股骨、肱骨、顱骨和脛骨），同時支持多色熒光標記的標記與觀測，并可擴展至其他軟組織（如脾臟和肺）的三維成像，助力揭示各個器官中稀有細胞（如成體干細胞）的空間分布及相互作用。

圖1：骨組織透明化和三維成像技術流程圖

骨髓中的LepR⁺細胞通過分泌造血干細胞生長因子和成骨生長因子，維持造血系統和骨骼的穩態。在過往研究中由于缺乏內源性識別LepR的單克隆抗體，限制了對LepR⁺細胞的原位研究。研究組與Abcam合作，開發了一種新型單克隆抗體（ab318272），該抗體在流式細胞術和免疫熒光染色中均表現優異，并可應用于人類樣本中骨髓LepR⁺細胞的標記。

為進一步探究LepR⁺細胞的空間分布及其與其他細胞群體在骨髓微環境中的相互作用，作者構建了Lepr^mTagBFP2報告小鼠，實現了LepR⁺細胞的精準可視化。通過骨組織透明化和深層成像技術觀察到LepR⁺細胞集中在骨髓內的血管周圍（主要位于血竇龕，部分位于小動脈龕），而在骨內膜區域沒有觀測到LepR⁺細胞（見圖2）。

圖2：Lepr^mTagBFP2/+成體小鼠半骨組織的三維空間圖像（a）

及不同深度的二維投影圖像（b）

綜上所述，這種新型透明化三維成像技術可以在骨骼及其他軟組織中實現超過500 μm的成像深度，并且保持信號強度穩定。此外，研究提出的新型LepR單克隆抗體及Lepr^mTagBFP2報告小鼠，將為未來研究骨髓及其他組織中的LepR⁺細胞提供強有力的工具。

沈博實驗室NIBS與北京師范大學聯合培養的2023級博士生倪悅涵、2022級PTN項目清華大學博士生吳佳苗和中國藥科大學的2022級博士生劉豐其為本文共同第一作者。趙瑚研究員、方慎彤教授和沈博研究員為本論文的共同通訊作者。本論文的其他作者還包括沈博實驗室的孟祥嬌、高祥、肖陸怡、周巍巍、褚澎、沈格、楊敏以及其他合作者。本研究得到了國家自然科學基金委、國家科學技術部、北京市科學技術委員會和北京生命科學研究所的資助。