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充满血红细胞的玻璃蛙如何变透明?科学家揭示脊椎动物“神奇透明术”,助力寻找治疗人类血栓和中风的新方法

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“全球 400 家媒体报道了这项神奇的发现。对于我们这篇 Science 封面论文,学界反响强烈并充满着好奇,它解决了长期以来困扰科学家的一个问题:充满血红细胞的脊椎动物到底如何变得透明。而我们的研究揭开了这种从未被知晓的脊椎生物透明机制。”美国杜克大学生物医学工程系教授表示。图 | 姚俊杰(来源:)研究中,和合作者利用全新的光学成像技术光声显微镜(photoacoustic microscopy),对一种原产于南美洲热带雨林中的玻璃蛙(glassfrog)做了长期研究。他们发现这种玻璃蛙在休息时,可以“随心所欲”地将体内约 90% 的血红细胞隐藏在肝脏里,从而大大增加肌体透明度、以及躲避捕食天敌的伪装能力。(来源:Science)更神奇的是,这种通过隐藏血红细胞来让身体变透明的方法,看上去是一种类似窒息的“自杀行为”,但它对玻璃蛙并未造成任何伤害。在人类已知的生物里面,只有玻璃蛙拥有这种独一无二的“透明”超能力。视频 | 玻璃蛙血流动力学的光声视频。玻璃蛙实时运动后恢复的高速光声想象,显示当青蛙入睡时,循环红细胞减少,肝脏中红细胞堆积出现增加。视频覆盖了体腔的大部分,插图突出了各个器官(来源:Science)牛津大学纳菲尔德医学系首席研究员理查德·怀特()博士对该工作给予高度评价,并撰写一篇评论文章发在同期 Science 上。他认为一般的水生生物更容易实现肌体透明,因为它们不需要大量的血红细胞。而陆生脊椎动物是极其难以实现透明的。因此这项新发现填补了领域内知识空白,评价称:“这实在是一项让人惊奇的发现。一种随心所欲的隐身功能!”图 | 玻璃蛙体内红细胞分布和氧合的 PAM 图像。光声显微镜图像显示玻璃蛙在睡觉和麻醉下循环红细胞(这打破了血液储存)。配色方案显示了血红蛋白与氧结合的百分比(红色表示高氧合,绿色表示低氧合)(来源:Dr. Junjie Yao’s lab)助力寻找治疗人类血栓和中风的新方法同时,此次发现将对生物进化理论和组织生物学产生深远影响,并且具有很高的实用价值。需要特别指出的是,玻璃蛙每天都能在休息时将血红细胞高度浓缩在肝掌里,并在活动时将这些血红细胞迅速释放到血液里,这种高度动态的红细胞收放功能为玻璃蛙所独有,目前人们从未在其他生物里发现过。因此,课题组推测玻璃蛙拥有一种独特的生理功能,来避免这些高度浓缩的血红细胞在肝脏里面出现凝血。凝血,对于其他动物包括人类都是致命性的攻击。于人类而言,它的出现往往会在老年人中引起常见的血栓和中风。如果进一步研究玻璃蛙的抗凝血机制,将有可能找到一种预防、治疗人类血栓和中风的有效方法,从而解决长期困扰医学界的相关难题。另一方面,本次发现也为自然科学研究带来了一种全新的光声成像技术。研究中,玻璃蛙需要处于特别安静的环境,光声成像正好可以提供一种既无创、又灵敏的追踪血红细胞的方法。图 | 玻璃蛙中三维血管的 PAM 图像。光声显微镜图像显示麻醉下玻璃蛙内的循环红细胞,配色方案显示红细胞和相关血管的深度(黄色表示较浅的血管,红色表示较深的血管)(来源:Dr. Junjie Yao’s lab)在成像的过程中,光声显微镜利用微弱的激光照射玻璃蛙,血红细胞吸收这些激光光子后,会发出清晰可辨的超声信号。超声信号不会给玻璃蛙带来干扰,并且可被用于定量追踪血红细胞的数量和位置。当玻璃蛙处于最自然的休息状态时,也不会被成像过程打扰。研究期间,该团队发明并优化了多项光声显微镜技术,具备清晰、快速、有深度等优势,满足了玻璃蛙研究的苛刻成像要求。预计这项光声显微镜技术,将为其他基础科学研究提供有力的工具。近日,相关论文以《玻璃蛙将血液隐藏在肝脏中以保持透明度》()为题发在 Science 上 [1]。图 | 相关论文(来源:Science)杜克大学生物系博士后卡洛斯·塔沃阿达()、杜克大学生物医学工程系杰西·迪莉娅()博士担任第一作者兼通讯作者,杜克大学生物医学工程系教授担任共同通讯作者。(来源:Science)当玻璃蛙远离家乡......在自然界中,透明的生物组织是一种十分罕见的伪装机制。这种透明的伪装通常需要复杂的结构和生理上的变化才能实现,对于人类了解诸多生物学的基础问题以及治疗临床疾病,也有很高的研究价值。多年来,除了极个别特殊的透明组织比如眼睛的晶状体,科学家对组织的透明性知之甚少,亦不清楚组织如何让自己变得透明。对于包括人类在内的所有脊椎动物而言,实现组织的透明可谓异常困难。原因在于脊椎动物需要大量的血红细胞来传输氧气,而血红细胞里面富含红色的血红蛋白。这种红色的血红蛋白可以大量吸收环境中的光线,从而让组织呈现出红色进而变得不透明。事实上,科学家很早就注意到玻璃蛙的隐身能力,但却无法破译它们实现隐身的奥秘。在脊椎动物中,红色的血红细胞是肌体最重要的吸光成分。而玻璃蛙如何消除血红细胞

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