全脑3D光片成像技术在阿尔茨海默疾病研究的应用

在探索阿尔茨海默病（AD）的奥秘时，脑成像技术一直是科学家手中的利器。它帮助我们从宏观层面观察大脑结构与功能的变化，为疾病的早期诊断和机制研究提供了关键线索。然而，传统的成像手段在分辨率和全脑覆盖范围上存在局限，难以深入揭示AD病理的精细特征。近期，一项创新的成像技术——iDISCO+结合光片荧光显微镜（LSFM），为AD研究带来了新的突破。这种技术以其高分辨率和全脑成像能力，为我们呈现了前所未有的AD病理细节，尤其在5XFAD小鼠模型中展现了巨大潜力。

阿尔茨海默病作为一种进行性神经退行性疾病，其病理特征复杂多样。其中，β-淀粉样蛋白（Aβ）的异常沉积形成斑块，是AD的标志性病理之一。这些斑块广泛分布于大脑皮层和海马等区域，破坏神经元间的突触连接，引发神经炎症反应，最终导致神经元死亡和脑功能衰退。同时，AD患者还伴随着tau蛋白的过度磷酸化，形成神经原纤维缠结，进一步加剧神经损伤。此外，神经递质系统如去甲肾上腺素（NE）的功能紊乱，也与AD的认知障碍和神经炎症密切相关。NE主要来源于蓝斑核（LC），其在调节认知功能、觉醒、注意力等方面发挥着关键作用。随着AD的进展，LC神经元逐渐退化，NE水平下降，不仅影响认知功能，还可能加剧Aβ病理和神经炎症。

在AD研究领域，常用的脑成像技术包括磁共振成像（MRI）、正电子发射断层扫描（PET）等。这些技术在宏观层面提供了大脑结构和功能的重要信息，但在分辨率和全脑覆盖范围上存在不足。MRI虽然能够清晰显示大脑的解剖结构，但对于Aβ斑块等微观病理特征的分辨率有限。PET通过放射性示踪剂可以检测Aβ和tau蛋白的分布，但其空间分辨率相对较低，且成本高昂，难以广泛应用于大规模研究。此外，这些技术通常只能提供静态的图像信息，难以动态监测疾病进展和治疗效果。

为了更深入地理解AD的病理机制，科学家们迫切需要一种能够实现高分辨率全脑成像的技术。这种技术应具备足够的灵敏度和特异性，以检测大脑中细微的病理变化，包括Aβ斑块、神经炎症细胞的分布以及神经递质系统的改变。同时，它还应能够进行动态监测，跟踪疾病的发展过程和评估治疗干预的效果。iDISCO+结合LSFM技术的出现，为满足这些需求提供了可能。

iDISCO+技术通过对大脑组织进行免疫标记，使用特定的抗体标记目标蛋白如Aβ、微管相关蛋白（如tau蛋白）以及细胞标志物，实现对特定病理特征的精准识别。随后，通过一系列的化学处理使大脑组织透明化，消除组织的散射和吸收，使得光线能够深入穿透组织，从而实现全脑范围内的高分辨率成像。这种方法的优势在于，它能够在保持大脑组织完整性的前提下，提供细胞和亚细胞水平的细节信息，为研究AD的病理特征提供了前所未有的视角。

LSFM是一种非侵入性的三维成像技术，它利用薄光片照亮样本，同时从垂直方向收集荧光信号，实现了高速、高分辨率的三维成像。与iDISCO+技术相结合，LSFM能够对透明化的大脑组织进行全面扫描，获取大量连续的光学切片图像。这些图像经过计算机处理和重建，形成完整的三维脑图谱，清晰地展示了Aβ斑块、神经炎症细胞浸润以及神经递质系统变化的分布模式。LSFM的高灵敏度和低光漂白特性，确保了在长时间成像过程中信号的稳定性和图像质量，为研究AD病理的动态变化提供了有力支持。

在5XFAD淀粉样变性小鼠模型中增强CNS炎症

在5XFAD小鼠模型中，iDISCO+和LSFM技术联合应用取得了显著成果。研究者通过这种成像手段，详细绘制了大脑中Aβ斑块的分布图谱，揭示了其在不同脑区的聚集模式和密度差异。同时，对小胶质细胞等神经炎症细胞的标记和成像，帮助研究者观察到这些细胞在Aβ斑块周围的聚集情况，以及它们在疾病进展中的动态变化。此外，通过对去甲肾上腺素能神经元和纤维的标记，研究者能够直观地看到NE系统在AD病理中的改变，如神经元的退化和纤维密度的降低。这些发现不仅加深了对AD病理机制的理解，还为寻找新的治疗靶点和评估治疗效果提供了重要依据。

小胶质细胞降低了雌性小鼠的不溶性Aβ40

在5XFAD小鼠模型的研究中，实验设计严谨，样本处理精细。首先，选取6.5月龄的5XFAD小鼠和非携带者（NC）对照小鼠，这一年龄段的小鼠能够充分展现AD样的病理特征。小鼠在麻醉后经心脏灌注固定，随后大脑被取出并进行免疫标记。针对不同的研究目标，使用了多种特异性抗体，如针对Aβ的6E10抗体、针对小胶质细胞的Iba1抗体以及针对酪氨酸羟化酶（TH，NE合成的关键酶）的抗体。标记后的脑组织经过脱水、漂白、通透和封闭等处理，以确保抗体充分渗透和结合。最后，将组织嵌入低熔点琼脂糖中，进行二次脱水和透明化处理，为LSFM成像做好准备。

实验设计

成像过程中，使用ZeissLightsheet7对大脑样本进行三维扫描。通过设置合适的激发波长和滤光片组，分别获取Aβ斑块、小胶质细胞和TH标记的荧光信号。为了确保成像质量，采用了多角度、多视野的扫描策略，并对图像进行拼接和校正。获取的大量图像数据通过UNRAVEL软件进行处理和分析。该软件首先对图像进行背景扣除和滚动球处理，以去除自发荧光和背景噪声。然后，利用机器学习算法对图像中的目标特征进行分割和识别，如Aβ斑块、小胶质细胞聚集体和TH阳性纤维等。通过与标准脑图谱的配准，将识别出的特征定位到具体脑区，并进行定量分析，包括斑块密度、细胞数量和纤维密度等指标。

5XFAD小鼠大脑中Aβ聚集和小胶质细胞反应性的映射

实验结果揭示了5XFAD小鼠大脑中广泛的Aβ病理和神经炎症。Aβ斑块在海马、皮层、丘脑等多个脑区广泛分布，其中最大的斑块簇覆盖了包括海马、嗅觉区、等皮层在内的多个重要区域。小胶质细胞在这些斑块周围显著聚集，呈现出典型的激活状态，表明神经炎症与Aβ病理密切相关。此外，TH标记结果显示，去甲肾上腺素能纤维在多个脑区出现密度降低，尤其是在皮层深层和海马等区域，而神经元胞体的TH表达降低主要局限于下丘脑和导水管周围灰质等特定区域。这些发现提示，在AD病理过程中，NE系统可能通过其纤维网络的改变影响神经炎症和Aβ沉积。

在5XFAD小鼠大脑中检测到较少的TH+纤维和细胞

进一步的分析发现，LC神经元的抑制和β-肾上腺素能受体的拮抗，均能加剧神经炎症，但对Aβ病理无显著影响。这表明，NE系统主要通过调节炎症途径而非直接影响Aβ代谢来参与AD病理过程。

β-肾上腺素能受体调节的反应

研究通过多模态技术创新，首次构建AD全脑病理演进的三维动态图谱，揭示β-肾上腺素能信号通过多细胞网络调控神经炎症的新机制。iDISCO+与LSFM的结合不仅实现亚毫米级病理定位，更建立定量分析标准，为个体化治疗提供生物标志物体系。随着7T微型光片显微镜的发展，活体动态成像将成为可能，为揭示NE信号的实时调控机制提供全新工具。

声明：本文仅用作学术目的。文章来源于：Evans AK, Park HH, Woods CE, Lam RK, Rijsketic DR, Xu C, Chu EK, Ciari P, Blumenfeld S, Vidano LM, Saw NL, Heifets BD, Shamloo M. Impact of noradrenergic inhibition on neuroinflammation and pathophysiology in mouse models of Alzheimer's disease. J Neuroinflammation. 2024 Dec 18;21(1):322. doi: 10.1186/s12974-024-03306-1.