血液經腎臟濾過生成尿液，將身體中的代謝物排出體外，維持體液環境的動態平衡。儘管很早以前就意識到交感神經對腎臟複雜機能的控制起了關鍵性作用，但到目前爲止很難獲知腎臟内神經系統的精細三維構造。
東京大學醫學部附屬醫院腎臟及內分泌内科長谷川頌醫師、南學正臣教授，醫學系研究科系統藥理學上田泰己教授等開發出器官透明化的CUBIC技術，成功使實驗小鼠的腎臟變得透明（圖1）。再結合三維免疫染色技術，成功獲取了整個腎臟的交感神經分佈構造圖譜。該研究成果已發表在2019年4月份的《Kidney International》上。
圖1 小鼠腎臟透明化
目前CT（computed tomography，電腦斷層成像）和MRI（magnetic resonance imaging，核磁共振造影）作爲内髒器官整體三維結構的常規觀察手段，無法對特定功能的細胞進行標記和觀察。而病理組織學剖切可以藉助顯微鏡來二維觀察標記後的功能細胞，但又無法對器官的三維結構進行整體把握。CUBIC（Clear, Unobstructed Brain/Body Imaging Cocktails and Computational analysis）技術是由東京大學研究生院醫學系研究科系統藥理學洲崎悅生講師和上田泰己教授等近年開發的，透過3D螢光成像和電腦影像解析技術等實施整個内髒器官的透明化。由此可以不用透過組織剖切，在保持器官原始形態及各蛋白質抗原性的情形下實施螢光成像，觀察器官的實際精細三維構造。
研究團隊對交感神經獨特性標記物絡氨酸羥化酶進行免疫染色標記，然後透過光片螢光顯微鏡（Light Sheet Fluorescence Microscopy, LSFM）對腎臟進行了整體觀察(圖2)。傳統寬場螢光顯微鏡透過物鏡將激發光聚焦，同時收集樣品的熒燈火信號成像，但此類顯微鏡因爲引入額外光毒性容易影響被觀測樣品的生物活性和降低影像解析度。過去二三十年間，雷射掃描共聚焦顯微鏡一直是細胞水平及亞細胞水平生命現象研究的標準工具，但其基於針孔的光學層切是以犧牲焦平面以外的被激發螢光基團爲代價，較寬場顯微鏡光漂泊和光毒性更嚴重。近幾年新隊形變換起來的光片螢光顯微鏡，採用側向照明對樣品直接進行面成像，成像速度極大提高，使得對三維器官高速精細活動程序的研究成爲可能。
圖2 腎臟透明化標記後的交感神經（Sympathetic nerves）與動脈（Arteries）構造
根據實驗結果，明確了腎臟内的交感神經完全環繞在動脈周圍遊走分佈，並且證實了交感神經由此控制動脈的收縮機能。並直觀地揭示了腎臟在缺血/再灌注傷害（IRI; ischemia/reperfusion injury，急性腎傷害，由於血流量一時間急劇下降後又突然恢復供血後對腎臟造成的傷害）後，交感神經功能異常也發生了長時間延遲（圖3）。急性腎傷害轉化爲慢性腎臟病的機制還很多不明之處，但此次觀察到的腎交感神經功能異常對病態轉化的影響也可能是終極因數之一，值得進一步深入研究。
圖3 腎臟缺血/再灌注傷害後交感神經功能異常
研究團隊不僅觀察了交感神經與動脈的糾纏狀態，還首次展示了集合管、近端小管、腎小球足細胞等整個腎臟其他精細構造的3D影像（圖4）。這種CUBIC器官透明化技術與三維免疫染色技術配合使用的觀察法，給科學家提供了前所未有的全新視角，有望成爲未來腎臟及其他器官疾病研究的有力工具。
圖4 集合管（左）、近端小管（中）及腎小球足細胞（右）
供稿 宋傑 東京大學博士
編輯修改 JST客觀日本編輯部
參考文獻：
1.Sho Hasegawa, Etsuo A. Susaki, Tetsuhiro Tanaka, Hirotaka Komaba, Takehiko Wada, Masafumi Fukagawa, Hiroki R. Ueda, and Masaomi Nangaku. Comprehensive three-dimensional analysis (CUBIC-kidney) visualizes abnormal renal sympathetic nerves after ischemia/reperfusion injury. Kidney International. DOI：https://doi.org/10.1016/j.kint.2019.02.011
相關鏈結：
1.東京大學新聞稿
