東京大學研究生院醫學系研究科的上田泰己教授（兼任久留米大學）、吉田將太客座研究員、松本桂彥客座研究員等人組成的研究團隊，與公益財團法人癌症研究會、順天堂大學、大阪大學、岩手醫科大學合作，成功構建了囊括小鼠全器官、全身所有細胞的三維圖譜（CUBIC Organ/Body Atlas）。研究團隊通過改進組織透明化處理方法（CUBIC法），使其適用於各臟器及新生小鼠全身，還自主研發了能夠以高分辨率拍攝大範圍區域的三維成像技術，從獲取的三維圖像中提取出每一個細胞的位置資訊，從而完成了圖譜的構建。上田教授表示：「利用該圖譜，能夠對不同個體、不同實驗情境下獲得的細胞分佈進行比較。希望能被廣大研究學者使用。」相關成果已發表在《Cell》上。
圖1 左上順時針起依次為：東京大學的上田泰己教授、松本桂彥客座研究員、吉田將太客座研究員（供圖：東京大學）
圖2 組織透明化流程（供圖：東京大學）
通過去脂及調整折射率的處理時間與方法的最適化，實現了高透明度。
（A）成年小鼠11種器官的組織透明化。
（B）新生小鼠全身組織的透明化。
既往的病理學與生理學研究以觀察組織剖切的二維解析為主，難以全面掌握整個器官或個體內細胞的分佈與數量。然而，藥物的有效性與副作用、免疫應答、發育過程中的變化等往往發生在多個器官與組織之間，因此對全身細胞進行三維解析的需求正不斷提高。
研究團隊此前開發的CUBIC法，構建並公開了以小鼠全腦細胞為對象的圖譜。上田教授表示：「最初我們認為腦部最為複雜困難，但這個圖譜已被許多研究使用。此次嘗試進行全身所有細胞的研究時，發現比想像中困難得多，需要開發多項技術才能完成。」
首先，研究團隊將CUBIC法應用於雄性與雌性新生小鼠，以及成年小鼠除腦部以外的各器官，實現透明化處理。由於不同臟器類型以及全身的去脂效率和折射率調整效率的差異顯著，研究團隊按器官分別優化處理流程，最終實現了均勻透明化與高質量的三維觀察。例如，腎臟去脂需要常規時間的兩倍，即10天；肝臟則需要逐步提高折射率調整液的濃度。新生小鼠全身透明化大約需要一個月時間。吉田研究員表示：「制定新生小鼠的透明化實驗方案十分困難。」
透明化處理後，研究團隊使用薄片狀光掃描樣本內部進行成像，既往光片顯微鏡無法對大尺寸樣本進行高分辨率拍攝，為此團隊自主研發了觀察深度達3毫米（上下雙向拍攝可達6毫米）、可分辨單細胞水平的高分辨率光片顯微鏡，並從獲取的三維圖像中全面提取了各細胞的位置資訊。例如，新生雄性小鼠全身平均約6.1億個細胞，雌性約5.3億個；成年小鼠心臟約含2810萬個細胞，肺約含1.2億個細胞。研究團隊基於所有細胞的位置資訊，構建了由全器官及全身所有細胞組成的三維圖譜。松本研究員表示：「由於數據量極其龐大（僅肝臟就約20TB），如何在保證分辨率的前提下，快速從深水層到淺層獲取數據，是一項艱巨的任務。」
此外，研究團隊還利用該圖譜，在全器官尺度上解析了發育期、疾病模型、藥物給藥條件等因素引起的細胞分佈變化。比如成功以三維、定量的方式捕捉到腎臟發育期中各區域細胞數量的變化、藥物給藥引發的器官損傷、伴隨發炎產生的免疫細胞全身分佈改變等現象。
研究還展示了利用三維圖譜在全身尺度上解析特定細胞種類的應用實例。重點關注了對免疫具有重要作用的巨噬細胞，通過對其標誌物IBA1進行三維免疫染色與三維成像，實現了巨噬細胞全身分佈的視覺化。將數據映射至三維圖譜後發現，巨噬細胞的數量、密度及間距分佈因器官而異。在脾臟等特定臟器中，巨噬細胞存在局部聚集現象。這表明，巨噬細胞可能在不同器官中承擔不同的作用與功能，期待未來研究進一步闡明其生理意義。
此次開發的三維圖譜有望作為在全身尺度上定量評估細胞分佈與細胞數量變化的基礎技術得到應用。同時，將獲取的三維圖譜數據與已有的基因表現資訊、空間轉錄組等二維空間解析數據相結合，可發展為整合形態資訊與分子資訊的解析手段。該整合解析有望更精準地闡明疾病機制，並創建新的病理解析指標。上田教授表示：「未來我們也考慮將其應用於人體器官研究。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
刊：Cell
論文：Whole-organ and whole-body 3D atlases enable cellome-wide profiling
DOI：10.1016/j.cell.2025.12.057
