研究人员创造了打开昆虫外骨骼来研究活细胞的技术

科学家认为，果蝇和人类的听觉在细胞水平上非常相似，这就是为什么他们想要探索果蝇的耳朵，以便更多地了解人类的听力。但他们不能轻易躲到耳边。由爱荷华大学领导的研究已经找到了一种方法来接触苍蝇的耳朵以及其他昆虫的器官 - 即使它受到被称为外骨骼的硬化外涂层的保护。研究人员描述了一种将昆虫包裹在坚硬树脂中的技术，类似于一些古老的昆虫保存在琥珀中的方式。然而，与那些永久性埋藏的动物不同，新技术允许研究人员打开外骨骼并研究活体器官和细胞。

除了使用该技术研究果蝇听力外，研究人员还表示，它还可以用来研究来自试验动物的活细胞的视力，脑功能和其他生物过程。作者在开放获取期刊“生理学前沿 ”(Frontiers in Physiology)上发表的文章中写道：“我们开发了一种简单的程序，用于打开节肢动物的外骨骼，从而暴露活组织和神经元成分。” “我们相信这个程序对于帮助揭示感觉器官和其他被困在极小角质层区域内的细胞的秘密具有重要价值。”

昆虫的外骨骼就像骨骼和皮肤的组合，提供双层护甲，保护内部器官免受捕食者，疾病和其他威胁。由于这些器官通常位于微小的，难以到达的位置，科学家们一直在努力以一种允许它们在实时状态下进行研究的方式暴露它们。

果蝇耳朵就是一个很好的例子。它隐藏在飞行天线的一部分中，只有80微米宽，小于人类头发的宽度。隔室也被包裹在外骨骼的一部分中，加剧了管道内容物的挑战。

“基本问题是感觉细胞隐藏在非常小的触角内，这阻止了科学家进入感觉细胞，”UI生物学教授，该论文的通讯作者Alan Kay说。凯转向牙科寻求解决方案。他的父亲是一名牙医，凯记得他父亲用过的所有小说小玩意儿和材料都像小孩一样着迷。他想知道他是否可以将苍蝇的头部封在一种胶水中，它会被固定在太空中，然后仍然活着，这样他就可以研究细胞和器官了。

“没有什么能比得上那么详细的内部三维拓扑了。”

来自UI牙科学院的Christopher Barawacz和Steven Armstrong为Kay提供树脂尝试。化学和生物化学工程部门的Jon Scholte和Allan Guymon确定了树脂的化学性质。

最终的产品是一种具有类似蜂蜜状稠度的树脂，这样一种液滴可以包裹苍蝇的头部，并将其固定在原位而不会粘在上面。凯然后用光硬化了树脂，因此可以进行精确的切割以隔离一个区域，而不会破坏内部精致的细胞。研究人员还添加了一种营养液，可以在切割过程中保持组织和细胞的活力。

从那里，切割部分可以楔入蜡中，并从任何角度观察和探测，如悬浮的活体标本。

“没有什么比具有恰到好处的详细内部三维拓扑结构，”研究果蝇听力的UI生物学家Daniel Eberl说，他是该论文的共同作者。

研究人员证明该技术适用于蚂蚁，蚊子，水蚤(水蚤)和螨虫。Eberl和Kay计划利用这项技术来学习，例如，为什么苍蝇耳朵内的细胞对外界刺激的反应不同。

“一些感觉神经细胞对振动做出反应，而其他感觉神经细胞则对微弱的偏转做出反应，就像在微风中发生的那样，”Eberl说。

这些基本的听觉过程，无论是苍蝇还是人类，仍然是一个谜。

“令人瞩目的是蝇耳和人耳看起来截然不同，但这些器官的工作方式有很多相似之处，”Eberl说。

来自耶鲁大学的Davide Raccuglia和Michael Nitabach正在撰稿。UI的研究和经济发展副总裁办公室资助了这项工作。