用三维地图观察小鼠胫骨生长板中软骨细胞的三维方向
在健康骨骼中(左)，大多数细胞排列方向大致相同(红色或橙色)；在Gdf5突变体的骨骼中(右)，90度偏差(蓝色)更常见
信用:魏茨曼科学研究所 随着我们的身体在童年和青春期的成长，我们的最终身高和骨骼形状在很大程度上取决于生长板——长骨两端新生长的区域，如手臂、腿、手和脚
这些区域扩张，它们构成的软骨逐渐硬化成固体组织，增加了骨骼的长度和宽度
魏茨曼科学研究所的研究人员开发了一种方法，首次可以在三维空间中检查生长板的细胞组成
这种方法使人们对健康骨骼的生长以及侏儒症中这种生长被破坏的方式有了新的认识
近一个世纪前，研究骨骼生长的科学家已经谈到需要关注长骨两端软骨细胞的变化
这些细胞创造了一种模板，后来被矿化的骨组织所取代，这些细胞偏离正常状态预示着未来的麻烦
“如果软骨异常，你最终会得到异常的骨骼——它可能太短、太长或变形，”教授解释道
领导该研究小组的分子遗传学部门的埃拉泽尔泽尔
然而，还没有有效的方法来跟踪软骨细胞在生长板内经历的过程
检查这些细胞的方法提供了二维图像，只给研究人员提供了细胞体积和空间排列的部分图像
此外，高分辨率方法产生了详细的图像，但只是生长板的一小部分，因此缺少完整的图像
Zelzer实验室的博士生Sarah Rubin领导了这项新的研究，她和其他科学家创造了一种多步骤方法3D MAPs，用于在三维空间中探索数十万个软骨细胞
首先，科学家们用化学物质处理生长板组织，使其透明，这样他们就可以使用一种叫做光板显微镜的技术获得图像
然后，他们将图像分割成片段，并应用一系列算法来表征每个横截面中的细胞
最后，他们将细胞映射回完整的图像，获得整个生长板的高分辨率3D图，该图揭示了所有软骨细胞的形状和大小，以及它们的空间方向和组织
该方法以前所未有的细节展示了生长板内细胞的变化，并且已经推翻了之前关于骨骼生长的假设
众所周知，出生在骨两端的软骨细胞不断变化，因此“最老的”软骨细胞——也就是最靠近骨中部的软骨细胞——处于转化的最后阶段
在以前的研究中，这些“最老的”细胞看起来比前一阶段的细胞大近十倍
但是当科学家们用3D地图观察老鼠的生长板时，他们发现这种假设的大小跳跃实际上是二维成像失真造成的幻觉
相反，细胞大小的增加是相对渐进的，大部分发生在细胞转化的下一个至最后阶段
在健康小鼠胫骨的生长板(左)中，软骨细胞的体积逐渐增加，从顶端最小的(蓝色)到最大的(红色)，更靠近骨的中部
在一个Gdf5突变体(右)中，这种逐渐增加被破坏了
信用:魏茨曼科学研究所 借助3D地图，科学家们还成功解开了两个由来已久的谜题，这两个谜题涉及一种叫做格雷布综合征的侏儒症，这种侏儒症是由Gdf5基因突变引起的
这种基因被认为调节关节的形成，所以不清楚为什么它的突变形式会导致人们天生四肢严重缩短和变形
也不清楚为什么在早期的研究中，导致这种综合症患者骨骼异常的生长板看起来是完全正常的
当科学家将3D MAPs应用于具有Gdf5突变的年轻转基因小鼠的骨骼时，该方法揭示了生长板中以前的研究没有发现的一系列异常
这些异常表明，除了在关节形成中的作用，Gdf5基因还调节生长板内软骨细胞的转化
当这种基因发生突变时，软骨细胞无法在正确的阶段增加大小，它们的形状不正常，并且没有正确定向
鲁宾说:“想想紧密包装的弹珠——如果你改变它们的形状，你将无法像以前一样把它们包装在一个盒子里。”
“类似地，改变的软骨细胞不能正确地排列在生长板内，这阻止了骨的正常伸长
" 新方法提供了进一步探索在健康骨以及受各种异常影响的骨中生长板内运行的细胞机制的手段
它也可以用来研究外部对骨骼的影响——例如，它的生长是如何受到与肌肉相互作用的影响
泽尔泽说，“生长板可以被视为驱动骨骼伸长的引擎
我们现在已经打开引擎盖，近距离观察这台发动机是如何工作的，以及它发生故障时会发生什么
" 这项研究发表在《自然通讯》上
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