玻璃蛙将红细胞隐藏在肝脏中以变得透明

玻璃蛙在休息时通过从循环中提取红细胞并将它们隐藏在肝脏中来使自己变得透明。一个由生物学家和生物医学工程师组成的多学科团队在 12 月 23 日发表在《科学》杂志上的研究中展示了这些青蛙如何让自己变得透明。

在自然环境中很容易错过玻璃蛙。北方玻璃蛙 Hyalinobatrachium fleischmanni 体长 不超过几厘米，它们在夜间最为活跃，此时它们的绿色皮肤有助于它们融入周围的树叶和树叶。

但这些两栖动物在白天睡觉时会成为真正的伪装大师。

“当玻璃蛙在休息时，它们的肌肉和皮肤变得透明，它们的骨骼、眼睛和内脏都是可见的，”杜克大学博士后研究员、该论文的共同第一作者 Carlos Taboada 说。“这些青蛙睡在大叶子的底部，当它们透明时，它们可以与植被的颜色完美搭配。”

海洋中的许多动物可以改变皮肤的颜色或变得完全透明，但在陆地上却很少见。透明度如此难以实现的原因之一是循环系统中的红细胞。红细胞善于吸收绿光，这是植物和其他植被通常反射的光的颜色。作为回报，这些富含氧气的细胞反射红光，使血液——进而循环系统——变得高度可见，尤其是在鲜绿的叶子上。

玻璃蛙是仅有的一些能够实现透明度的陆生脊椎动物，这使它们成为研究的目标。Taboada 最初是在 Sönke Johnsen 的实验室做博士后研究玻璃蛙的，Sönke Johnsen 是杜克大学的生物学教授，专门研究透明度。杰西·迪莉亚 (Jesse Delia) 周游世界，为这项研究收集了不同的玻璃蛙，他们与杰西·迪莉娅 (Jesse Delia) 合作，观察到每当青蛙变得透明时，红细胞似乎就会从循环血液中消失。

他们对动物进行了额外的成像测试，通过光学模型证明动物能够实现透明，因为它们将红细胞推出血管。他怀疑这些细胞被储存在青蛙的一个内部器官中，这些器官被包裹在反光膜中。

对于一种透视动物来说，破译其生物学特性极具挑战性。这项研究不仅利用了杜克大学的生物学家和生物医学工程师的专业知识，还利用了自然历史博物馆、斯坦福大学和南加州大学的生物学家和生物医学工程师的专业知识。

“如果这些青蛙清醒、有压力或处于麻醉状态，它们的循环系统就会充满红细胞，而且它们是不透明的，”Delia 解释说，她现在是自然历史博物馆的博士后研究员。“研究透明度的唯一方法是这些动物是否快乐地睡着了，这在研究实验室很难实现。我们真的是在用头撞墙寻找解决方案。”

但 Taboada 在研究胆绿素时了解了一种称为光声显微镜 (PAM) 的成像技术，胆绿素是一种使某些青蛙具有标志性绿色的化合物。PAM 涉及将安全的激光束射入组织，然后被分子吸收并转化为超声波。然后使用这些声波制作分子的详细生物医学图像。这种成像工具是非侵入性的、安静的、灵敏的，幸运的是，杜克大学有售。

“PAM 是红细胞非侵入性成像的理想工具，因为你不需要注射造影剂，这对这些青蛙来说非常困难，”杜克大学生物医学工程助理教授 Junjie Yao 解释说，他专门研究在 PAM 技术中。“红细胞本身提供了对比，因为不同类型的细胞吸收和反射不同波长的光。我们可以优化我们的成像系统，专门寻找红细胞并追踪青蛙体内循环的氧气量。”

在他们的成像装置中，青蛙倒立在培养皿中睡觉，类似于它们在树叶上睡觉的方式，并且该团队向动物发射了绿色激光。青蛙体内的红血球吸收了绿光并发出超声波，然后被声学传感器拾取以追踪它们的行踪，具有高空间分辨率和高灵敏度。

结果非常清楚：当青蛙睡着时，它们会去除近 90% 的循环红细胞并将它们储存在肝脏中。

在进一步的测试中，研究小组还看到，当青蛙活跃时，红细胞从肝脏流出并循环，然后在青蛙恢复时重新聚集在肝脏中。

“主要结果是，每当玻璃蛙想要变得透明时，通常是在它们处于静止状态并且容易受到捕食时，它们就会从血液中过滤掉几乎所有的红细胞，并将它们隐藏在镜面涂层的肝脏中——以某种方式避免在此过程中产生巨大的血块，”约翰森说。“每当青蛙需要再次活跃起来时，它们就会将细胞带回血液中，从而赋予它们四处移动的新陈代谢能力。”

根据 Delia 和 Taboada 的说法，这个过程提出了一个问题，即青蛙如何安全地将几乎所有的红细胞储存在肝脏中，而不会凝结或损坏周围组织。他们说，下一步可能是研究这种机制，以及有朝一日如何将其应用于人类的血管问题。

这项工作还介绍了玻璃蛙作为研究的有用模型，尤其是在与最先进的光声成像结合使用时。作为玻璃蛙的长期研究人员，他们对现在可供他们和感兴趣的合作者使用的新研究途径感到兴奋。

“我们可以更多地了解玻璃蛙的生理学和行为，或者我们可以使用这些模型来优化生物医学工程的成像工具，”Delia 说。“这开始是因为卡洛斯和我认为这只青蛙用它的血做了一些奇怪的事情，这导致了杜克大学和全球范围内富有成效的合作。”

“我们的成功合作是多学科如何以最协同的方式共同推进科学发展的一个很好的例子，”姚说。“我们对生物学和工程团队未来的互动感到非常兴奋。凭借船上的所有力量，天空是极限。”

这项工作得到了国家地理学会赠款 (NGS-65348R-19)、人类前沿科学计划博士后奖学金 (LT 000660/2018-L)、郭士纳家族基金会和理查德吉尔德研究生院提供的郭士纳学者奖学金的支持自然历史博物馆、斯坦福大学启动资金和杜克大学启动资金、国立卫生研究院资助(R01 EB028143 R01 NS111039 和 RF1 NS115581 BRAIN Initiative)、国家科学基金会职业奖 (2144788) 、杜克脑科学研究所孵化器奖、心脏协会合作科学奖 (18CSA34080277) 和 Chan Zuckerberg Initiative (2020-226178)。