基于一种“刀形扫描显微镜”KSEM的新型成像技术

新型成像技术“刀形扫描显微镜”（Knife-Edge Scanning Microscopy，KSEM）可深入探索神经元在心脏病发作和其它疾病中的作用。

3D重建的雄性小白鼠心脏

据麦姆斯咨询报道，大脑通过复杂的神经网络来维持人心脏的正常功能。当两者其中的连接中断时，可能会导致心脏疾病，包括心脏病、心源性猝死和血液供应不足等问题。

作为额外的安全层，心脏拥有自己的“小型大脑”，称为心内神经系统（intracardiac nervous system，ICN），它可以参与心功能的中枢调节，及外周短程反射环路和心内局部反射环路的构成。ICN甚至可以在心脏病发作时保护心肌。

一直以来由于神经元的组织结构和位置都不了解，因此ICN是如何发挥这些作用的还无从得知。但近日在Cell子刊iScience上发表的一项研究中，位于宾夕法尼亚州费城（Philadelphia， PA）的托马斯·杰斐逊大学（Thomas Jefferson University）的研究人员已能够详细回答这些问题了。

“在神经学和心脏病学之间，我们对于ICN的理解还存在很大的空白。”该研究的共同通讯作者、Daniel Baugh Institute（DBI）功能基因组学和计算生物学研究所所长James Schwaber博士说道。

“目前人类器官中唯一一个拥有如此详细的高分辨率3D图谱的是大脑。”该研究的共同通讯作者，病理学、细胞生物学和解剖学教授Raj Vadigepalli博士评论说道，“我们创建了首个全面的心脏神经系统路线图，其他研究人员可以参考该路线图，解决有关ICN中不同神经元的功能、生理机能和连接性等一系列问题。”

该研究借鉴了来自不同研究小组（杰斐逊和中佛罗里达大学）以及行业合作伙伴Strateos和MBF Bioscience的相关技术和专业知识，最终开创出一条双途径方法。

创新型成像技术

其中利用了一种被称为“刀形扫描显微镜”（KSEM）的新型成像技术，研究人员能够凭借该技术构建整个啮齿类动物心脏的精准3D模型。这是该技术首次用于心脏研究。

第二种方法是利用了一种称为激光捕获显微切割（Laser Capture Microdissection，LCM）的技术，对单个神经元进行采样以进行基因表达分析，并精确地绘制其在心脏3D结构内的位置。

通过这种方式绘制的3D图谱揭示了迄今为止未知的ICN的复杂特性。研究人员发现，组成ICN的神经元位于心脏底部（顶部）一连串的集群中，即心脏的静脉和动脉进出的地方，但也会延伸到心脏后部的左心房处。

3D图谱揭示了迄今为止未知的ICN的复杂特性

共同作者Jonathan Gorky是一名刚毕业的医学博士，现为麻省总医院（Massachusetts General Hospital）的一名住院医师，他说道：“一直以来神经元的集聚是我们一直怀疑但从未确定的事情，如今看到ICN功能的物理证据和神经元的精确分布，太令人兴奋了！”

单一神经元的基因表达分析也指出了此前未知的分子身份或表型的多样性。“我们发现了多种不同类型的神经调节因子和受体。”Vadigepalli博士说道，“我们的心脏不仅有能够开启或关闭活性的神经元，还存在能调节ICN活性的神经元。”

性别差异

在比较雄性和雌性小白鼠心脏时，研究人员还发现神经元的组织方式存在性别差异。共同作者Alison Moss、生物化学和分子药理学博士研究生以及高级研究助理Shaina Robbins目前正根据这些发现进行进一步的分析。

“这有利于帮助我们解释男性和女性在心脏病患病上的某些差异。”Moss说道，“我们现在正在尝试创建猪心脏内在神经系统的3D模型（因为其在解剖学上更接近人类心脏），以进一步探究相关问题。”

该项目是NIH（National Institutes of Health，美国国立卫生研究院）研究计划的一部分，该计划命名为“神经刺激疗法（Stimulating Peripheral Activity to Relieve Conditions）”，即SPARC，旨在促进治疗设备的开发，调节机体神经电活性来改善器官的功能。“最终希望是为人类心脏在健康和疾病方面创建3D图谱。”Schwaber博士总结说道，“同时也为后期更为深入的研究奠定了基础。”
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