Nature Communication：原位无标记活体斑马鱼胚胎三维生物分子拉曼成像

    生物大分子是生物体的重要组成成份，它们的运动和变化对生物的个体发育、细胞命运调控和疾病的行程起着决定性的作用，研究生物体内生物大分子的组成、分布及变化对探索新的生命过程和发现新的疾病诊疗手段具有重要的科学意义和应用价值。

    斑马鱼是疾病研究、药物发现、毒性研究、胚胎发生和神经科学等领域常用的一种重要脊椎动物模型。然而，目前大部分基于斑马鱼的研究多使用荧光标记示踪技术，但单一的标签无法显示复杂的生物分子信息。而现有的无标签成像技术，如二次谐波显微镜等能够给出清晰的结构信息却无法显示生物分子信息。

    近期，帝国理工学院Molly M. Stevens教授研究团队首次利用alpha 300R高分辨共聚焦拉曼成像系统对整个斑马鱼胚胎进行了无标记的生物分子信息三维重构；同时实现：

    ◆ 解析组织切片中生物分子的微观特征；

    ◆ 不同菌株引起的斑马鱼胚胎病变区分；

    ◆ 活体斑马鱼伤口随时间变化的动态监测；

    相关研究成果以“In vivo biomolecular imaging of zebrafifish embryos using confocal Raman spectroscopy”为题发表在Nature Communications杂志上。

研究要点

1.首次观测到完整胚胎生物分子三维分布

图1.全斑马鱼胚胎3D共聚焦拉曼光谱成像

2.高分辨拉曼成像解析组织微观特征

图2.斑马鱼组织切片高分辨共聚焦拉曼光谱成像

    高分辨率共焦拉曼光谱成像获得斑马鱼胚胎内不同生物分子的空间分布，如糖原，脂类和DNA等。肌纤维和肌肉细胞沿轴向分布，尾部组织富含丰富的胶原纤维；肌肉细胞中富含丰富的DNA及脂质。拉曼图像同时清晰地呈现出不同组织部位间的差异性。

3.细菌感染斑马鱼胚胎病变特征分析及鉴别

图3.病变斑马鱼组织切片的拉曼光谱成像

    高分辨拉曼光谱成像不仅可清晰呈现病变区域组织结构，同时也可以分辨蛋白质、脂类及DNA等生物大分子的空间位置。根据这些重要的分子信息，实现区分不同菌株的感染，甚至识别菌株从对数生长期转变为静止期时发生的代谢变化。

4.活体斑马鱼胚胎伤口反应时间监测

图4.活体斑马鱼胚胎伤口的高分辨共聚焦拉曼光谱成像

    高分辨共聚焦拉曼光谱成像是一种通用的、无标记的生物分子分析方法，不仅能够可视化精细的结构细节，如肌肉纤维或单个细胞核，并能够生成三维的斑马鱼胚胎生物分子成像。该研究团队通过斑马鱼结核胚胎细菌感染后的的体积拉曼成像，进一步证明了高分辨共聚焦拉曼的可能性与普适性。

   高分辨共聚焦拉曼光谱成像还可以作为活体斑马鱼胚胎的体内分析信息成像工具，识别并记录了急性伤口反应过程中生物分子随时间的变化。高分辨共聚焦拉曼光谱成像还可以补充其他生物分子分析，如转录组学、蛋白质组学、脂质组学和代谢组学， 破译生物分子变异在发育和疾病中的意义。