脳を透明化する手法をまとめてみた

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一般的な話題

脳を透明化する手法をまとめてみた

読者の皆さまこんにちは。少し今回の記事はテイストが違うな？とお思いの方も多いでしょう。

アレ待チろまん

というブログをご存知でしょうか。生物系の研究者であるぱんつさんが運営しているもので、そのハンドルネームからは想像できない文章力とトピックの面白さで最近大変人気を博しています。かくいう私も最近チェックをし始めた一人です。

今回、ケムステ用に化学に少しよせた記事を特別に寄稿して頂きましたので紹介させていただきたいと思います。

その、トピックは

脳を透明化する

です。ではどうぞ。

（以下寄稿記事になります）

先日Natureに「電気泳動で脳を透明化する」という論文が出て大きな話題になりました。実は脳を透明化する手法はこれが初めてではなく、以前から化学処理をすることで脳の透明化を達成化した論文がいくつ報告されています。一目瞭然、上図にあげた、3DISCO, Sca/e、そしてごく最近報告されたCLARITYという技術が現在の最先端技術です。

今回ここ２、３年で脚光を浴びている研究を振り返り、電気泳動手法の意義について再考してみたいと思います。

化学物質で処理をして組織を透明化させる研究が行われてきた

生物試料は水、脂質、タンパク質と言った屈折率が異なる化学物質の集合体です。生体試料を脱水して屈折率の高い化合物に置換することで試料内部での光の散乱を減少させ、それによって組織を透明化する研究が古くから進められてきました。これまで様々な透明化試薬が報告されましたが、透明化技術は蛍光タンパク質による細胞の可視化技術と組み合わせることで有用性が非常に高まるため、蛍光を褪色させずに組織を透明化させる試薬が求められました。

１．3DISCO(脱水→高屈折率化合物への置換)

ウィーン大学の研究グループが樹立した透明化手法は3DISCO(3D imaging of solvent-cleared organs)法と呼ばれます。蛍光タンパク質の体色を最小限に抑えて脳を透明化する試薬として、tetrahydrofuran(THF)による脱水とdibenzyl ether(DBE)またはbenzyl alchol+benzyl benzoate(BABB)処理の組み合わせが報告されました (Nature Protocols 2012)。

しかし3DISCO法を用いても蛍光タンパク質の褪色は少なからず起こります。そこで2011年に発表されたSca/e法は褪色を起こさない脳を透明化を達成したことから注目されました。

２．Sca/e(尿素処理による親水性の向上)

理化学研究所のグループが樹立した透明化手法はSca/e法と呼ばれます。

PVDF膜を尿素に浸すと透明化する現象を発見した研究グループは、生物試料も尿素で処理をすることにより親水性が高まって透明化出来るのではないかという発想に至りました。組織に尿素を浸透しやすくさせるためにglycerolやtritonXを加えてSca/eという試薬を開発しました。このSca/e試薬で脳を2週間ほど処理すると、蛍光タンパク質をほとんど褪色させずに透明化することが出来ました (Nature Neuroscience 2011)

3DISCOの欠点を解決したSca/eですが、透明化にかかる時間が2週間程度と比較的長いこと、また処理によって125%程度の脳の膨大が起こるという僅かな欠点が残りました。最近になってNature誌に報告されたCLARITY法はこれらの欠点を全て克服しており、大きなインパクトを与えました。

３．CLARITY(電気泳動による脂質の除去)

スタンフォード大学のグループが樹立した透明化手法はCLARITY法と呼ばれます。この手法は脳をアクリルアミドの単量体に浸し、アクリルアミドを重合させてタンパク質と核酸を架橋し、その後電気泳動して膜脂質を除去することで透明化を達成しました(Nature 2013)。

CLARITYは組織の膨大を引き起こさず、また蛍光タンパク質もほとんど褪色しません。さらに膜を除去したために組織丸ごとの免疫染色が可能になりました。

終わりに

脳以外の組織も透明化できれば、発生学や組織学に新たな知見を与えると予想されます。しかし組織によって含む脂質やタンパク質が異なることから、脳の透明化を可能にした上記３つの手法が単純に適用出来ない組織があるかもしれません。また膜脂質を変化させる処理をした組織標本は電子顕微鏡での観察が難しいという問題は依然として残ります。

この文章を読まれた化学者の皆様がこれまでにない利点を加えた新たな透明化手法を開発し、何時の日か新たな生物現象が発見されることを願っております。

（ここまで寄稿記事）

どうでしたか。化学者の目から見れば脳の完全透明化を達成できるもっと面白く特徴のある分子をもってこれると思いませんか？このように文化が異なると意外にも面白いネタが眠っているものです。ぜひ化学、生物云々言わず君たちの武器を新しい分野に適用してみてください！ぱんつさんありがとうございました！

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代表： Chem-Station

Chem-Station代表。早稲田大学理工学術院教授。専門は有機化学。主に有機合成化学。分子レベルでモノを自由自在につくる、最小の構造物設計の匠となるため分子設計化学を確立したいと考えている。趣味は旅行（日本は全県制覇、海外はまだ２０カ国ほど）、ドライブ、そしてすべての化学情報をインターネットで発信できるポータルサイトを作ること。