对称双半球尸检脑组织切取技术用于研究人类健康与病理脑状态

摘要

系统化的脑组织切片程序对于将特定的神经精神现象与明确的神经病理学诊断相关联至关重要。根据不同的临床与学术需求，脑组织切片方法存在多种差异。本方案描述了一种对称的双半球脑切片程序，旨在研究人类脑病理学中的半球差异，并最大限度地利用当前及未来的生物分子/神经影像技术。

摘要

神经病理学家有时会因需要掌握大量知识才能对那些被要求进行脑尸检的患者所描述的复杂神经精神现象做出明确诊断而感到压力巨大。尽管生物医学科学和神经影像学的进步已彻底改变了神经精神疾病领域，但这些进展也产生了一种误导性观念，即脑尸检仅具有验证性价值。这种错误观念导致尸检率急剧下降，从而减少了开展更详尽、更广泛神经病理学研究的可能性，而这些研究对于理解人类大脑众多尚未明确的正常与病理特征至关重要。将观察到的神经精神现象与其可能的神经组织学改变进行定位和特征关联的传统推断方法，仍然具有不可否认的价值。在神经精神疾病领域，传统的临床-病理学方法仍是将独特的神经精神特征与其相应的神经病理学基础进行关联的最佳（且常常是唯一可行）的方法，因为它依赖于对脑组织的直接物理评估。死后脑组织的评估基于不同神经病理学中心所采用的脑切片技术，这些技术各不相同。脑切片操作通常根据各机构具体的临床和学术需求，以相对广泛且系统的方式进行。为了深入、连贯地研究人类大脑在正常与病理状态下的特有表现，至少在人类神经病理学研究中，应采用一种解剖结构更全面、双侧半球对称的脑切片方法。即，特定功能的半球特化与偏侧化）。该方法将为当前及未来的生物技术与神经影像学技术提供更多经过完善神经病理学表征的脑组织样本。本文描述了一种对称性双半球脑组织切片技术，用于研究人类脑病理中的半球差异，并适用于当前及未来的生物分子/神经影像学技术。

引言

神经病理学家拥有评估人类大脑的科学特权、学术荣誉和诊断责任。几十年来，人们已对脑部疾病进行了详尽的临床描述，并大力探索这些疾病在人类死后脑组织中可能存在的神经组织学相关性。从历史上看，这些努力代表了现代医学科学，尤其是神经病学领域取得进展的最有效途径。得益于先前杰出的神经病理学家及其奉献精神、决心、学术造诣以及辨别正常与异常脑组织的惊人能力（通常使用非常简陋的工具），我们现在能够研究并针对阿尔茨海默-佩鲁西尼病（不公正地仅被称为阿尔茨海默病；APD/AD）¹、帕金森病（PD）²、克罗伊茨费尔特-雅各布病（CJD）³、卢·格里克病/肌萎缩侧索硬化症（ALS）⁴ 和关岛病⁵ 等疾病开展工作，仅举数例。

先进的神经影像学技术，例如高分辨率计算机断层扫描（即多层螺旋CT扫描；CT血管成像），功能性和形态学磁共振成像（即， fMRI，扩散MRI，示踪成像MRI 等等。）、正电子发射断层扫描（PET）、基于超声的成像技术及其他方法，无疑改变了我们诊断和治疗神经及精神疾病患者的整体策略。然而，尽管神经影像学技术能够在个体存活时观察其大脑，但它们无法在发生时刻直接分析细胞（如神经元）高度复杂的细胞及亚细胞结构，也无法可视化、标记并定量特定类型的细胞内病变，或在环路及亚环路解剖水平上精确定位其神经解剖学或亚区域位置。例如，神经影像学技术无法识别或定位黑质（SN）内色素神经元中的路易小体（LB）——这是帕金森病（PD）常见的病理特征，也无法检测内嗅皮层中的神经原纤维缠结（NFT）——这是阿尔茨海默病（AD）及其他脑部疾病的典型特征。结合先进数字显微技术的神经病理学研究，对于实现详细的临床-病理相关性分析，进而做出确诊，仍具有不可替代的作用。

由于人类大脑独特的解剖功能特性，尤其是其解剖位置（即位于颅骨内，颅骨作为一种天然保护系统，不允许直接观察其内部结构），使得以下技术的引入成为必要 体内 神经影像技术极大地帮助了临床医生和研究人员为这种复杂组织的一些未解之谜找到初步答案。然而，目前尚无任何临床或神经影像学方法能够取代在尸体解剖过程中直接分析脑组织的独特机会。只有通过系统性地收集、保存和分类人类脑组织，才能对神经元与非神经元细胞、它们的亚细胞结构、细胞内和细胞外的病理改变，以及脑内各种异常进行直接而系统的研究，从而证实、修正或重新定义临床诊断，并发现新的临床-病理相关性。尸体解剖中评估脑组织的一个明显局限在于该过程本质上属于横断面研究方法。在持续进行的神经病理过程（无论是否具有临床表现）与有机会在神经组织学层面对其进行界定之间，始终存在时间延迟。这主要归因于人类大脑缺乏自我再生能力。目前尚无法获取活体脑组织 体内 不会造成永久性损伤。因此，无法对同一个大脑或同一个人进行纵向的神经病理学评估。然而，标准化的大脑库保存程序以及公众对脑捐献意识的提高，有望通过持续增加可收集和分析的病例数量，显著缓解脑尸检时机选择的问题。通过这种方式，可以获得足够数量的死后大脑样本，从而为每种人类脑部疾病相关的特定脑损伤类型，确定出稳定的病理起源与进展模式。这需要尽可能多地收集来自各种神经精神疾病患者以及不同年龄段健康对照个体的大脑样本。一种可行的方法是将从综合性和专业性医疗机构中尽可能多地收集死后大脑样本作为常规操作。近期，研究痴呆症和正常衰老的科研人员已明确提出对脑捐献的迫切需求。⁶神经精神医学领域整体也应表达出同样的必要性。

由于上述及其他原因，有必要对当前的脑组织切片技术进行更新。此外，全球各神经病理学研究中心应统一脑组织切片的操作流程，同时应考虑采用现有及未来生物技术手段的可能性，以更深入地研究并有望最终阐明人类脑部疾病的病因与发病机制。

本文主要出于研究目的，介绍一种用于人类尸体脑组织切取的对称性方法。该方法建议采集比常规更多的脑区组织，且取材范围涵盖大脑和小脑的双侧半球。相较于传统方法，对称性的双侧半脑切取方案更符合当前对人类神经解剖学、神经化学及神经生理学的认识。该方法还为神经病理学分析人类大脑特有的特征提供了可能，例如与高级认知及非认知功能相关的大脑半球功能特化与偏侧化现象，这些功能通常或仅存在于人类。目前尚不清楚半球功能特化/偏侧化与特定类型的脑病变之间是否存在特定的发病机制关联，也不清楚某种特殊的神经精神疾病致病过程是否最初、主要或 exclusively 与某一特定半球及其功能相关。通过描述这一对称性脑切取技术，我们旨在提出一种更新的人脑解剖方法，有助于更深入理解脑这一高度特化组织的正常状态与病理状态。该方法同时考虑了仅存在于人类的形态-功能半球差异特征。

方案

涉及尸体人类组织的程序已由机构审查委员会审核，并根据《联邦法规》第45篇（Code of Federal Regulations）获得豁免。

注意：本方案描述了一种对称双侧半球脑组织切片法，用于人类死后脑组织的神经病理学评估。有关执行人脑切片所必需的装置、器械、材料和耗材的详细说明将不予详述。脑解剖所需的材料和耗材由各研究者自行选择，并依据各研究机构允许或批准使用的尸检工具而定。本方案所需的最少工具和材料列于材料/设备表中。针对疑似可传播性脑疾病（如人类克雅氏病 CJD）的特定切片程序和防护措施不在本文目标范围内，相关内容可参见其他文献⁷。

1. 对称双半球脑切片

注意：应确保脑组织已接受必要的组织固定处理（例如使用10%中性缓冲甲醛），固定时间通常为两到三周，具体时长取决于围死亡期、代谢（即 pH值）以及组织保存（即 温度）条件。然而，对于影像-病理学相关性研究，建议采用更长的固定时间（>5.4周）⁸。

1. 将脑组织置于一个平坦的表面上，使其朝向检查者，而额极则朝向与检查者相反的方向。
2. 放置脑组织时应确保能够完整清晰地观察到整个大脑半球的所有皮质脑回和脑沟（图1a）。
3. 首先观察脑膜是否存在异常、大脑半球是否有肉眼可见的不对称（可能是局灶性、叶性或广泛性脑萎缩的征象）、肉眼可见的组织病变（例如，肿瘤或脑疝）、先天性畸形、血管异常，以及大脑表面任何其他可能的异常或不寻常表现。
   ​注意：有关如何评估人脑的详细描述，请参考市面上可获取的神经病理学教科书和尸检手册^9,10。

2. 实验步骤顺序

1. 将大脑的额极朝向远离研究者的方向，使半球的浅表部分（端脑）朝向研究者。根据具体情况拍摄足够数量的数码照片，以记录可能存在的大体异常，并为可能的临床神经解剖学观察及切片后的分析提供依据。由研究助手垂直于大脑方向拍摄数码照片，以完整获取整个皮质表面图1a - c).
2. 标记预 并在切割大脑前使用墨水或彩色针标记中央前回和中央后回皮质脑回（图1b).
   注意：此步骤有助于在切片后更快速地识别运动和体感初级皮层。
3. 将大脑旋转180度，同时保持其朝向不变（即， 额极朝向远离研究者的方向）。仔细检查脑底部，特别注意脑血管系统的状况（即， 基底动脉和椎动脉以及威尔利斯环）和脑干出入水平的脑神经。由于嗅球和嗅束极为脆弱，操作时需格外小心，以防组织撕裂。
   1. 根据每种具体情况拍摄必要数量的数码照片，以记录可能存在的大体异常，并为可能的临床神经解剖学观察及切片后的分析提供依据。安排研究助理垂直于脑组织拍摄数码照片，以完整记录大脑皮层和脑干表面的全貌。
4. 面对脑基底部，使用手术刀在脑桥上部水平（尽可能靠近大脑基底部）横向切断脑干。仔细检查黑质（SN）即，用于苍白）¹¹ 及其他邻近结构¹²注意记录大脑与正常大脑相比的任何异常表现，可考虑使用录音设备进行记录¹³.
5. 再次将脑组织旋转180度，使用锋利的刀具沿正中纵裂中央横切胼胝体，按额-枕方向分离两侧大脑半球。检查每个半球的两侧是否存在可能的异常例如， 脑室扩大、畸形、组织软化、肿瘤 等等。)¹³。参见 图2a.
   1. 根据每种具体情况，拍摄必要数量的数码照片，以记录可能存在的大体异常，并为可能的临床神经解剖学观察及切片后的分析提供依据。安排研究助理将数码相机垂直于脑组织进行拍摄，以完整获取整个大脑皮层表面的图像。仔细观察脑组织与正常脑相比是否存在任何异常特征，并详细记录。
6. 将两个半球平放，内侧面朝下，额叶朝向远离研究者的方向，如图所示 图 2b将它们放置成中心相互接触（即使存在明显的半球不对称性也是如此）。
7. 使用锋利的刀片，从额极开始，沿大脑半球全长向枕极方向手动切开两侧大脑半球，获得两组连续切片 约每半脑18片、厚度为厘米级的脑组织块。
8. 将脑切片按解剖学顺序（额-枕方向）依次放置在另一个平坦的表面上。拍照时应使用带有印刷标尺的白色背景板，以获得更好的对比度。将两组大脑切片以解剖学对称的方式（额-枕方向）摆放，确保其冠状面暴露可见，便于肉眼观察和数码摄影。图3a使用双面印有毫米级网格的切割板，以更准确地定位脑部结构、尺寸及可能的异常。
   1. 根据每种具体情况，拍摄必要数量的数码照片，以记录可能存在的大体异常，并为可能的临床神经解剖学及切片后观察提供依据。安排研究助理将数码相机垂直于脑组织进行拍摄，以完整获取整个大脑皮层表面的图像。与正常脑组织相比，若发现任何异常表现，应详细记录（可使用录音设备）相关观察结果。
9. 使用锋利的手术刀，手动分离出每个既定脑区的较小矩形脑组织块。按照文中所述的脑区取材方案进行操作。 表1.
   1. 将每个组织块分别放入已单独标记的组织包埋盒中。
      ​注意：每块脑组织应尽可能切割至适配标准组织学包埋盒的最大容积（30 x 20 x 4 mm）³).
   2. 使用去标识化编码为每个病例的组织盒进行标记，并采用特定的神经解剖学标识符（不得对不同脑组织使用随机字母或数字；而应始终使用相同的区域解剖名称或对应的编号，如图所示） 表1）。创建去标识化编码，例如，为每个病例生成随机或半随机编号（即，BRC 130，其中 B 代表 Brain（脑），R 代表 Resource（资源），C 代表 Center（中心），130 为递增的登录编号 AD160001，其中 AD 代表 "阿尔茨海默病研究，" 16 是尸体解剖进行的年份（2016 年），0001 是逐步递增的标本编号。
      ​注意：此步骤对后续研究人员非常有帮助；请保留图例，并注明半球（L = 左半球，R = 右半球）。使用两种不同颜色的组织包埋盒，为每个半球指定特定颜色。
   3. 根据每种具体情况，拍摄必要数量的数码照片，以记录可能存在的大体异常，并为可能的临床神经解剖学分析及切片后的观察提供依据。安排研究助理将数码相机垂直于脑组织进行拍摄，以完整获取整个大脑皮层表面的图像。仔细观察脑组织与正常脑相比是否存在任何异常特征，并详细记录。
10. 拍摄整个切割后脑组织及相应组织学包埋盒的数码照片（数量根据需要或意愿而定）。
11. 打孔（例如， 使用Accu-punch打取直径为2–5 mm的组织小块，用于DNA提取和遗传分析。
    注意：由于小脑含有丰富的基因组物质，因此是首选区域；但其他任何区域也可使用。
12. 将所有含有脑组织块的组织学包埋盒重新浸入相同类型的固定液中（例如， 10%中性缓冲福尔马林）中保存，直至进入组织处理的下一步，保存方法同前。
13. 遵循人类福尔马林固定组织处理的标准流程¹⁴.

3. 一种特殊方法：交替冷冻与固定对称双半球切片

注意：第2节中描述的对称双半球脑组织切割方案，能够在有新鲜未固定脑组织的情况下，以相同系统化且对称的方式切割组织薄片。

1. 将整个新鲜脑组织倒置（最好放在一个半球形碗状的塑料表面上），在 -80 °C 冰箱中放置 8 - 10 分钟，以硬化脑组织而不引起生物化学损伤，便于后续手工切片。
2. 使用锋利的刀具，按照第 2 节中所述的脑切片方案，交替并连续地切开两侧半球，但仅对每隔一片的组织块（来自两侧半球，并沿前后解剖方向）进行冷冻和固定。
   1. 此时无需按照 表1 所述对每个脑区进行细分。仅当需要立即提取 RNA 或蛋白质（例如，用于基因组或蛋白质组研究）时，才单独切取特定的新鲜脑区组织¹⁵。
3. 切片完成后，立即对每块新鲜组织进行冷冻、标记并编号；拍摄整套切片的数码照片；将每片组织分别装入独立的塑料袋中；将所有切片集中放入一个仅用于存放单个脑组织的容器中；并将该容器存放在专用的 -80 °C 冰箱中。
   ​注意：该冰箱应仅用于存放人类脑组织。各个冷冻脑区的进一步细分将在后续根据具体实验需求进行。
4. 将用于固定的组织切片（每隔一片）分别浸入含有足量固定液（固定液与组织块体积比为 3:1）的独立塑料袋中（可使用 10% 中性缓冲福尔马林或其他固定液）。按照前后解剖顺序对每个袋子连续编号并标记，密封后拍摄数码照片，并统一存放于塑料容器中。
5. 在组织固定 2 周后，打开盛有固定液的袋子，按照 表1 所述方法切割各个脑区。

4. 组织染色与免疫组织化学

注意：根据所提出的方案切割的一组脑区（表1足以满足目前大多数（即使不是全部）基于共识的阿尔茨海默病病理学诊断标准¹⁶，PD¹⁷，路易体痴呆（DLB）¹⁸额颞叶痴呆（FTD/MND）¹⁹进行性延髓上性麻痹（PSP）²⁰，多系统萎缩（MSA）²¹慢性创伤性脑病（CTE）²², 等等.

1. 针对每个脑区及双侧半球，需进行以下最少组套的组织染色：苏木精和伊红（H&E）、焦油紫（CV；例如，若计划进行定量形态学研究），以及银染（若需要进行"探索性"分析）。
2. 针对每个脑区及双侧半球，需进行以下最少组套的免疫组织化学检测：β-淀粉样蛋白（βA）、磷酸化Tau蛋白（pTau）、磷酸化α-突触核蛋白（pα-syn）和磷酸化TDP43蛋白（pTDP43），具体方法如文献¹⁴所述。
   注意：按照本方案评估每个脑组织所需的切片总数为46张（若双侧半球的所有脑区均可用）。

结果

方案时长

单次对称双半球固定脑切片操作所需时间估计为1小时（不包括准备解剖台、工具和切割面，以及标记等所需时间）； 等等单次对称双半球交替冰冻与固定脑组织切片过程所需时间估计为2小时。对单个人脑/受试者获得明确组织学诊断可能至少需要4至6周。在死后从颅骨中取出脑组织后，必须进行适当时间的组织固定（至少2至3周）。随后需执行一系列操作流程，包括对称双半球脑组织切片、组织处理、组织包埋、切块切片、染色及免疫组织化学检测。最终，在得出神经病理学结论之前，还需完成每侧半球各脑区的显微镜下评估，应用共识确立的病理学诊断标准与分类体系，审查临床病历资料，并可能进行临床与病理结果的相关性分析。在规划特定研究项目时，应充分考虑完成整个人脑神经病理学评估所需的总时长。此外，应向医学同行、科研人员、捐献者家属以及法律机构告知完成现代神经病理学评估所需的总时间、复杂程度以及团队所投入的时间与精力。

讨论

这种脑组织切片方法可根据各神经病理学实验室的具体需求进行调整（例如，减少对每个半球进行评估的脑区数量），同时仍保留双侧半球对称切片程序作为其主要特征之一。本建议方案可用于常规操作流程（以研究为导向的神经病理学中心），或仅在必要时使用（特定以临床为导向的研究）。该方法可选择性地仅用于特定类型的研究调查（即， 免疫组织化学）或分子分析（即，基因组学或蛋白质组学分析）。从技术角度来看，值得注意的是，某些病理学差异（尤其是在免疫组织化学中）可能源于免疫组织染色强度的潜在人为变异。通过使用自动染色仪，可显著降低人为染色效应和变异的可能性，从而最大限度地减少此类问题。事实上，目前借助可靠的自动化染色机器人设备，已能在技术上最大限度地减少大多数由技术性人为因素引起的混杂因素。因此，在评估同一受试者的两个大脑半球，或多个受试者的多组大脑半球时，均可获得具有可比性的结果。

此外，在过去几年中，人类大脑中发现的脑损伤数量显著增加³⁹。这些新型脑损伤增加了既往被归类为正常或对照的大脑实际上并不正常的潜在风险。免疫组织化学技术的进步以及新的神经病理...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
签署的知情同意书副本，允许进行尸检及脑组织捐献用于科研。
受试者的详细临床病史，应包括神经系统和精神科症状与体征的详尽描述。
可获得的医学或非医学视频记录（在运动障碍领域尤其有用）。需获得近亲’s 的同意。
神经影像学、神经生理学、神经精神评估或临床量表。
遗传学和家族史资料。如诊断为神经遗传性疾病，需审阅遗传学报告。
组织学容器	ELECTRON MICROSCOPY SCIENCES	64233-24
组织学包埋盒	VWR	18000-142 (橙色)
组织学包埋盒	VWR	18000-132 (深蓝色)
刀柄和一次性刀片	ELECTRON MICROSCOPY SCIENCES	62560-04
长刀片	ELECTRON MICROSCOPY SCIENCES	62561-20
一次性刀片用刀柄	ELECTRON MICROSCOPY SCIENCES	72040-08
手术刀片	ELECTRON MICROSCOPY SCIENCES	72049-22
Accu-Punch 2 mm	ELECTRON MICROSCOPY SCIENCES	69038-02
聚苯乙烯容器 – 无菌	ELECTRON MICROSCOPY SCIENCES	64240-12
解剖板	ELECTRON MICROSCOPY SCIENCES	63307-30
中性缓冲福尔马林溶液，10%	Sigma-Aldrich	HT501128 SIGMA
苏木精溶液，Gill No. 2	Sigma-Aldrich	GHS280 SIGMA
伊红Y溶液，水溶性	Sigma-Aldrich	HT1102128 SIGMA
抗β-淀粉样蛋白抗体	Covance, Princeton, NJ	SIG-39220	1:500
抗tau蛋白抗体	Thermo Fisher Scientific	MN1020	1:500
抗α-突触核蛋白抗体	Abcam	ab27766	1:500
抗磷酸化TDP43抗体	Cosmo Bio Co.	TIP-PTD-P02	1:2000
数码相机	任意
热封机	Grainger	5ZZ35