肺研究重新定义水晶胸腔技术开创新方法

众所周知，我们的肺部在我们的日常生活中发挥着至关重要的作用——确保我们能够呼吸、抵御感染并适应各种挑战。尽管这些器官很重要，但它们仍然让许多医学专家感到困惑，尤其是当它们受到疾病影响时。虽然 MRI 和 CT 扫描等传统工具在患者患有肺部相关疾病时很有帮助，但它们仍然无法提供了解肺部健康复杂性所需的详细实时信息。

进入被称为“水晶胸腔”的突破性创新。该技术由 波士顿大学工程学院、 肺中心、 多尺度和转化力学生物学中心以及 神经光子学中心的研究人员开发，不仅将彻底改变我们对肺功能的理解，而且在其他器官和治疗方面也具有巨大的潜力。本月发表在 《自然方法》上的新研究 水晶胸腔充当小鼠肺部的透明保护罩，使科学家能够在细胞水平上实时近距离观察这些器官的工作情况。这项技术的特别之处在于，它不会破坏肺部的自然过程——在研究人员观察的同时，呼吸和血液循环会照行。

在本次问答中，资深作者 Hadi Nia 博士 讨论了水晶胸腔、它如何重塑我们对肺部研究的理解，以及它在肺部以外的潜在用途。

在了解肺部健康方面，研究中强调的主要挑战是什么?

肺部是许多致命病变的发生部位，例如原发性和转移性癌症、呼吸道感染以及在细胞水平上影响其功能的阻塞性和限制性疾病。现有的成像方式(例如 MRI、CT 和组织学分析)无法解析疾病进展早期的动态单细胞事件，例如免疫细胞与癌细胞和细菌的相互作用。借助 水晶胸腔，我们首次可以对小鼠肺部进行细胞水平的成像，同时保留其呼吸、血液循环和免疫活性等生理功能。我们现在能够在疾病发生的最早阶段研究许多肺部疾病。

在研究肺部时，“水晶胸腔”与 MRI 和 CT 扫描等传统方法有何不同?

MRI和CT可以显示整个肺部，但它们的空间和时间分辨率较低，并且无法解析单个气囊(称为肺泡)、单个毛细血管以及免疫细胞和癌细胞迁移等细胞事件。另一方面，水晶胸腔通过由生物相容性材料制成的透明肋取代由骨骼和肌肉制成的实际胸腔，从而阻挡光线，从而允许使用光学显微镜。由于晶体胸腔具有与实际肋骨相同的几何形状和材料特性，因此肺部可以像光学显微镜成像一样保持其生理功能。如果与足够快的显微镜相结合，则可以在肺部活动时对细胞运输和血流等动态事件进行实时成像。

您能描述一下水晶胸腔如何工作以实现对小鼠肺部的近距离观察吗?

水晶胸腔的设计来自于原生小鼠胸腔的 microCT，以确保肺部能够在水晶胸腔内发挥生理功能。水晶胸腔内的肺通过正压进行通气以模拟机械通气，或者通过负压进行通气以模拟自主呼吸。肺部还通过介质或血液循环，为肺细胞提供营养。然后将水晶胸腔放置在显微镜载物台上，并以感兴趣的分辨率对肺部进行成像。除了晶体胸腔提供的成像功能外，我们还能够以多种方式干预呼吸或循环，例如添加药物，或改变肺部生理参数(例如，通过增加呼吸频率和深度来模拟运动)，并研究肺结构功能的后续变化。这种可控性与成像功能相结合，使晶​​体胸腔成为研究许多关键肺部疾病的革命性技术。

除了肺部研究之外，还有哪些其他器官可能从 Crystal Ribcage 技术的应用中受益?

我们使用水晶胸腔在血管压力升高时对心脏和肺进行成像。此类实验将有助于进一步探讨未来肺动脉高压或心律失常等疾病中的循环-呼吸耦合。凭借我们所取得的成功和热情， Nia 实验室未来的方向 包括通过制造“水晶头骨”来可视化整个大脑的活动，从而将类似的想法转化为大脑。

Crystal Ribcage 技术将如何推进器官移植和再生医学相关的研究?

水晶胸腔以两种方式推进这些研究：

为移植物或工程组织提供生理环境，其中样品可以以细胞分辨率实时成像。

通过改变生理参数、施用治疗剂以及监测肺部的后续变化来进行干预。

举个例子，目前正在积极研究在供体-受体手术之间我们可以使人肺保持存活多久。目前这个时间为 6-8 小时，如果延长的话，将非常宝贵，因为它可以将器官储存和运输到其他移植部位。我们的水晶胸腔允许以光学分辨率监测离体肺，从而使研究人员能够更好地理解为什么人肺不能在体外保存超过 6-8 小时。另一个例子是，肺组织工程方面的研究非常活跃。尽管肺工程取得了进展，但还没有可靠的方法来评估肺的功能。水晶胸腔允许在细胞水平上进行这种评估，同时允许在生理环境中设计肺功能。

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