Single Cell Cytometry of Mouse Brain Tissue

大脑是一个稠密且复杂的网络，数以十亿计的细胞紧密结合在一起，被包裹在脂肪绝缘层中，并由复杂的结构蛋白网支撑。为了单独研究这些细胞，科学家必须首先将它们从这种粘性的基质中分离出来，将一块固体组织转化为单细胞的自由流动液体。这个被称为“解离”的过程对于大脑来说极具挑战性，因为其细胞结合得如此紧密且脆弱；如果用力过猛，细胞就会死亡或失去研究人员需要观察的特征。几十年来，科学家们一直致力于寻找一种既能分解组织又不破坏内部娇嫩细胞的方法，这一挑战限制了我们理解大脑中多样化的神经元和免疫细胞在健康与疾病状态下如何运作的能力。

科罗拉多大学安努兹医学分校的一支研究团队现在为解决这一难题绘制出了一条可靠的路径。他们着手测试了多种将成年小鼠脑组织转化为单细胞悬浮液的方法，将简单的机械切割与几种不同的酶混合物进行了对比。他们的目标不仅是获取细胞，还要确保细胞活着且完整，从而保留大脑居民的全貌。他们测试了仅使用机械力的法、一种更强的酶（Accutase），以及三种包含蛋白酶（papain）、胶原酶（collagenase）和解离酶（dispase）且混合了用于分解缠绕DNA以防止结块的酶的温和酶组合。他们还测试了一个用于清理样本的常用步骤：通过一层厚胶进行离心，以将沉重的碎片与细胞分离。

研究人员发现，温和的酶混合物在产生活细胞方面与较强力的方法同样有效。当他们处理约100毫克的脑组织时，回收了大约40万个活细胞，无论是在白质还是灰质中，这一数字都保持一致。所使用的特定温和酶的类型并不会显著改变可收获的细胞总数。然而，这项研究对清洗步骤提出了明确的警告。当研究人员使用厚胶去除碎片时，他们损失了近90%的活细胞。那些幸存下来的极少数细胞并不能代表原始组织的真实情况；该过程选择性地移除了某些细胞类型，例如包裹神经纤维的支持细胞，同时留下了更高比例的免疫细胞。这意味着对于需要完整呈现大脑细胞图谱的研究而言，这种清洗步骤是适得其反的。

为了精确了解样本中的成分，团队使用了一种名为质谱流式细胞术（mass cytometry）的强大技术，该技术通过使用重金属而非光线来标记细胞。这使得他们能够计数并表征七种主要的细胞类型，包括神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞、内皮细胞、室管膜细胞、小胶质细胞和白细胞。他们发现大脑含有这些细胞的丰富组合，其中神经元最为丰富，其次是大量的支持细胞和免疫细胞。至关重要的是，他们发现可以冻结这些细胞，将其储存，并在稍后解冻，而不会丢失细胞类型的整体平衡。虽然在冷冻后一些特定的支持细胞数量略有减少，但主要类群的相对比例与新鲜样本几乎完全相同。这一发现意义重大，因为它意味着研究人员可以收集样本并在不同时间进行分析，而不必被迫在动物处死后立即进行实验。

研究还观察了细胞的内部状态，以查看制备过程是否给它们带来了压力。他们检查了细胞分裂的迹象以及指示细胞正在产生应激反应的特定化学信号。他们发现没有正在分裂的细胞，这在健康的成年大脑中是符合预期的，且大多数压力信号保持在较低水平。唯一值得注意的变化是，在小胶质细胞（大脑驻留的免疫细胞）中，冷冻和解冻后出现了一种持续的小幅特定压力信号增加。这表明，虽然细胞保持着生命力且具有代表性，但冷冻过程确实会触发免疫细胞特有的轻微反应。

最终，这项工作为制备小鼠脑组织提供了一套标准化的配方，能够保留该器官真实的复杂多样性。通过证明温和的酶可以在无需使用会破坏大部分样本的碎片去除步骤的情况下表现良好，并通过证实细胞可以在不丢失身份的情况下被冷冻，研究人员消除了一个研究大脑的主要障碍。他们的方法使科学家能够以一种此前难以实现的方式，观察神经元与免疫细胞之间复杂的相互作用，从而在不受严苛制备方法干扰的情况下，更清晰地观察大脑的内在运作机制。