东京大学研究生院医学系研究科的上田泰己教授（兼任久留米大学）、吉田将太客座研究员、松本桂彦客座研究员等人组成的研究团队，与公益财团法人癌症研究会、顺天堂大学、大阪大学、岩手医科大学合作，成功构建了囊括小鼠全器官、全身所有细胞的三维图谱（CUBIC Organ/Body Atlas）。研究团队通过改进组织透明化处理方法（CUBIC法），使其适用于各脏器及新生小鼠全身，还自主研发了能够以高分辨率拍摄大范围区域的三维成像技术，从获取的三维图像中提取出每一个细胞的位置信息，从而完成了图谱的构建。上田教授表示：“利用该图谱，能够对不同个体、不同实验条件下获得的细胞分布进行比较。希望能被广大研究学者使用。”相关成果已发表在《Cell》上。
图1 左上顺时针起依次为：东京大学的上田泰己教授、松本桂彦客座研究员、吉田将太客座研究员（供图：东京大学）
图2 组织透明化流程（供图：东京大学）
通过脱脂及调整折射率的处理时间与方法的最优化，实现了高透明度。
（A）成年小鼠11种器官的组织透明化。
（B）新生小鼠全身组织的透明化。
既往的病理学与生理学研究以观察组织切片的二维解析为主，难以全面掌握整个器官或个体内细胞的分布与数量。然而，药物的有效性与副作用、免疫应答、发育过程中的变化等往往发生在多个器官与组织之间，因此对全身细胞进行三维解析的需求正不断提高。
研究团队此前开发的CUBIC法，构建并公开了以小鼠全脑细胞为对象的图谱。上田教授表示：“最初我们认为脑部最为复杂困难，但这个图谱已被许多研究使用。此次尝试进行全身所有细胞的研究时，发现比想象中困难得多，需要开发多项技术才能完成。”
首先，研究团队将CUBIC法应用于雄性与雌性新生小鼠，以及成年小鼠除脑部以外的各器官，实现透明化处理。由于不同脏器类型以及全身的脱脂效率和折射率调整效率的差异显著，研究团队按器官分别优化处理流程，最终实现了均匀透明化与高质量的三维观察。例如，肾脏脱脂需要常规时间的两倍，即10天；肝脏则需要逐步提高折射率调整液的浓度。新生小鼠全身透明化大约需要一个月时间。吉田研究员表示：“制定新生小鼠的透明化实验方案十分困难。”
透明化处理后，研究团队使用薄片状光扫描样本内部进行成像，既往光片显微镜无法对大尺寸样本进行高分辨率拍摄，为此团队自主研发了观察深度达3毫米（上下双向拍摄可达6毫米）、可分辨单细胞水平的高分辨率光片显微镜，并从获取的三维图像中全面提取了各细胞的位置信息。例如，新生雄性小鼠全身平均约6.1亿个细胞，雌性约5.3亿个；成年小鼠心脏约含2810万个细胞，肺约含1.2亿个细胞。研究团队基于所有细胞的位置信息，构建了由全器官及全身所有细胞组成的三维图谱。松本研究员表示：“由于数据量极其庞大（仅肝脏就约20TB），如何在保证分辨率的前提下，快速从深层到浅层获取数据，是一项艰巨的任务。”
此外，研究团队还利用该图谱，在全器官尺度上解析了发育阶段、疾病模型、药物给药条件等因素引起的细胞分布变化。比如成功以三维、定量的方式捕捉到肾脏发育阶段中各区域细胞数量的变化、药物给药引发的器官损伤、伴随炎症产生的免疫细胞全身分布改变等现象。
研究还展示了利用三维图谱在全身尺度上解析特定细胞种类的应用实例。重点关注了对免疫具有重要作用的巨噬细胞，通过对其标志物IBA1进行三维免疫染色与三维成像，实现了巨噬细胞全身分布的可视化。将数据映射至三维图谱后发现，巨噬细胞的数量、密度及空间分布因器官而异。在脾脏等特定脏器中，巨噬细胞存在局部聚集现象。这表明，巨噬细胞可能在不同器官中承担不同的作用与功能，期待未来研究进一步阐明其生理意义。
此次开发的三维图谱有望作为在全身尺度上定量评估细胞分布与细胞数量变化的基础技术得到应用。同时，将获取的三维图谱数据与已有的基因表达信息、空间转录组等二维空间解析数据相结合，可发展为整合形态信息与分子信息的解析手段。该整合解析有望更精准地阐明疾病机制，并创建新的病理解析指标。上田教授表示：“未来我们也考虑将其应用于人体器官研究。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
刊：Cell
论文：Whole-organ and whole-body 3D atlases enable cellome-wide profiling
DOI：10.1016/j.cell.2025.12.057
