阿爾茲海默癥淀粉樣蛋白沉淀的無標記顯微檢測

　　北京時間11月17日，《科學·進展》（Science Advances）期刊在線發表了復旦大學物理學系教授季敏標課題組及其合作團隊的研究成果。這篇以《受激拉曼顯微技術用于阿爾茲海默癥淀粉樣斑塊的無標記成像》（“Label-free imaging of amyloid plaques in Alzheimer’s disease with stimulated Raman scattering microscopy”）為題的論文，揭示了利用新型的受激拉曼顯微成像技術對富含錯折疊蛋白的淀粉樣斑塊進行無標記成像的技術進展。

　　據悉，阿爾茲海默癥（AD）是一種可導致癡呆的神經退行性疾病。在有關阿爾茲海默癥疾病機理的眾多假說中，淀粉樣肽（Amyloid）假說認為是大腦中的Aβ蛋白發生了錯折疊，引起級聯反應，最終殺死神經元，形成了淀粉樣蛋白沉淀。如此一來，針對淀粉樣蛋白沉淀的觀測則成為研究疾病的關鍵。目前的顯微成像技術需要借助熒光劑或染料對蛋白斑進行標記，從而觀測淀粉樣斑塊及腦組織圖像，但像熒光劑這樣的外來分子既有可能影響原本的生化過程，又不利于對新鮮組織的長時間觀測。因此，發展無需引入外來分子進行標記的技術將有利于淀粉樣蛋白沉淀的順利研究，從而推動阿爾茲海默癥的預防治療進程。

　　該工作由復旦大學季敏標課題組、哈佛大學謝曉亮課題組和美國麻省總醫院（MGH）Brian Bacskai課題組合作完成。復旦大學物理學系為論文的第一完成單位，季敏標、謝曉亮和Bacskai為共同通訊作者。研究工作獲得了復旦大學物理學系、應用表面物理國家重點實驗室、國家重點研發計劃、基金委面上項目和上海市科技創新行動計劃的支持。

　　技術進步：“要了解，首先要看到”

　　有關阿爾茨海默癥的統計顯示，中國的保守數據有500萬人，65歲以上人群發病率為5%，80歲以上發病率超過30%。而發病后，一般存活年限平均僅為5.5年，且絕大部分患者生活質量低下。針對阿爾茲海默癥的精準診斷十分重要。

　　要想觀測形成于阿爾茲海默癥患者腦中的蛋白沉淀，通常需要加入一個標記，因為蛋白沉淀跟其他物質之間的區別不甚明朗，所以需要用染料讓特定的結構（蛋白沉淀）顯現出特定的顏色，使得目標發光。但是這種方法存在顯著缺點：外來分子如熒光劑等，本身并不穩定，不僅會隨時間的推移發生變化，還很有可能影響觀測對象的本身的性質，使其發生改變。

　　有沒有可以不加染料、不引入外來分子的干涉，直接準確地觀察淀粉樣蛋白沉淀本來面目的方法？

　　受激拉曼散射（SRS）顯微技術是謝曉亮課題組于2008年研發的新型成像技術，可利用分子中化學鍵/基團的光譜性質進行選擇性成像。各個不同的分子就像不同的電臺一樣，擁有自己的振動頻率，在知道想聽哪個頻道的前提下去尋找便容易許多。提前設定已知分子的振動頻率，再去探測這種分子，便是受激拉曼散射（SRS）顯微技術的訣竅。

　　由于阿爾茲海默癥患者的蛋白發生了錯折疊，導致其分子頻率發生了變化，產生了小范圍的位移，于是提前設定好蛋白發生錯折疊后的頻率，就可以將其與正常蛋白區分出來。

　　“要了解一個東西，首先需要看到它。”季敏標介紹，課題組將受激拉曼散射（SRS）顯微技術用于阿爾茲海默癥的蛋白沉淀觀測。相比加入熒光劑來觀測蛋白沉淀，受激拉曼散射（SRS）顯微技術由于只依賴分子本身的性質，并不會受到光漂白的影響，也沒有任何外來物質的干擾，還不需要對樣品做出一些很復雜的處理，因此更適合做長時間的活體觀察。

　　為了進一步驗證該技術的準確性，研究團隊在同一張組織切片中對比受激拉曼成像與加入標記后顯現的圖像，結果表明兩者對淀粉樣斑塊的檢測能力幾乎相同。此外，課題組還在新鮮組織中對比了受激拉曼成像和用染料標記的熒光成像結果，發現兩者對斑塊形態的檢測完全一致。由此可見，受激拉曼散射（SRS）顯微技術與傳統的借助熒光劑對目標進行標記的方法在結果上是相同的。

　　學科交叉：物理學與生物醫學碰撞形成研究新思路

　　SRS作為一種不需要引入外來物質進行標記、高靈敏度和分子選擇性的顯微技術被越來越廣泛的應用于生物醫學研究，包括脂質代謝、腫瘤探測和快速病理檢測等領域。通常來說，SRS可以很好地區分幾大類生物大分子（如脂質、蛋白質和核酸等），因此可以從技術層面幫助人們更好地理解阿爾茲海默癥的發展過程，為優化阿茲海默癥等疾病診斷方法提供全新的技術手段，也為疾病的治療與預防帶來新的可能。

圖（a）受激拉曼顯鏡示意圖。（b）酰胺I譜區測得的淀粉樣斑塊及腦組織圖像。藍色：普通蛋白；綠色：脂質；紫色：淀粉樣蛋白。（c）對應的CH譜區圖像，只能區分總蛋白（紫色）和脂質（綠色）。（央廣網發 復旦大學提供）

　　有趣的是，課題組在SRS圖像中發現，每個淀粉樣斑塊周圍都形成了富含脂質的暈狀結構。“這種現象從未被之前的標記方法所觀察到，因為它們往往只標記固定蛋白的結構。而SRS不受此限制，觀察的范圍更廣闊，因而可以發現被標記對象之外的更豐富的組織形態和化學組分信息。”季敏標說。

　　物理學光學與生物醫學攜手，為阿爾滋海默癥的研究提供全新技術支持。該項研究成果首次將受激拉曼成像技術用于探測不同二級結構的蛋白分子，為阿爾茲海默癥的研究提供一種新的思路；同時，該方法也有望用于探索其他與蛋白錯折疊相關的神經退行性疾病，包括帕金森和亨丁頓疾病等。

　　季敏標課題組主要從事非線性光譜學和生物醫學光子學研究。在生物醫學光子學領域主要發展多種非線性光學顯微成像技術，并將它們應用于腫瘤組織病理學檢測和脂質代謝等生物醫學問題；在非線性光譜學領域主要研究新型二維材料的非線性光學性質，以及材料的超快載流子和聲子動力學等。