组织学入门：微观世界的探索

# 组织学入门：微观世界的探索 ## 1. 组织学概述 组织学是对组织的微观结构和功能的研究。身体的组成部分可分为四种组织类型：上皮组织、结缔组织、肌肉组织和神经组织。这些组织由细胞和细胞外物质组成，它们共同执行特定的功能。不同组织的组合形成了器官和身体的其他组成部分，例如，大脑和肝脏是由多种组织构成的器官，而韧带等则是连接结构，器官周围还有填充物质，如肾脏周围的组织。此外，各种器官和其他结构组合形成身体的系统，共同执行相关功能。 肉眼（视力良好的情况下）勉强能看到直径约 200μm 的物体，很少有细胞能达到这个大小，不过一根非常细的头发可能有这么宽。然而，观察小于 200μm 的结构存在特殊挑战。大多数组织成分颜色和对比度很低，使用基本的光学显微镜透过它们透射光线时，细胞及其周围的基质难以区分。实际上，光线只能穿透组织的薄片或体外培养的细胞薄层。为了观察这些微观结构，人们开发了各种类型的显微镜和标本制备方法。 ## 2. 显微镜及标本制备方法 ### 2.1 显微镜类型 - **普通光学显微镜**：大多数组织成分颜色和对比度低，使用基本光学显微镜难以区分细胞和基质。普通光学显微镜只能穿透组织薄片或体外培养的细胞薄层。 - **相差显微镜**：可用于观察活的、孤立的完整细胞，但对比度有限，且细胞周围的结构与在体内时不同。 - **电子显微镜**：使用更薄的切片和电子代替光线，能分辨小至约 0.0002μm 的细节。 ### 2.2 标本制备方法 #### 2.2.1 组织保存（固定） 当从活体取出任何组织时，细胞死亡会导致组织退化，这个过程称为坏死。在坏死过程中，细胞内的酶会从正常位置释放出来，分解细胞和周围区域的分子，导致细胞内和周围结构的精确三维排列消失。为了研究分子、细胞、细胞外基质、组织和器官在活体中的排列，必须防止坏死并保存这些物质。一种标准方法是在死亡后或从活体取出组织后尽快将组织样本放入甲醛溶液中。甲醛会改变蛋白质（和其他大分子）的构象状态，防止酶降解组织，这个过程称为固定。这类似于煮鸡蛋，加热会改变蛋白质的构象状态，煮足够长时间后，鸡蛋的蛋清和蛋黄中的蛋白质会变成固体。 #### 2.2.2 组织切片处理 大多数身体组织在活体中是柔软的，用甲醛固定后也只是稍微变硬，因此很难切成足够薄的切片以用常规显微镜观察。为了制备薄片，需要用一种能使组织变硬的物质浸渍组织样本。常规组织学中使用的赋予组织刚性的介质是石蜡，它在约 58ºC 时呈液态，在室温下呈固态。由于石蜡和水基组织不相溶，用甲醛固定的组织样本不能直接用石蜡浸渍。因此，组织样本需要经过一系列处理来去除和替换水分。最常用的方法是将组织样本依次转移到浓度逐渐增加的酒精中，100%酒精可以完全取代水分。酒精本身也与石蜡不相溶，所以需要将组织样本通过浓度逐渐增加的能与酒精和石蜡相溶的溶剂（如氯仿或二甲苯）进行处理，以取代酒精。最后，将组织样本放入多次更换的熔融石蜡中，使石蜡渗入组织。然后让熔融石蜡中的样本凝固，形成一个固体石蜡块，组织样本被包埋在其中，此时组织就可以进行切片了。由于这些过程中使用的物质具有毒性，必须采取适当的安全预防措施。 高级技术会使用各种固体支持介质，例如，硬合成树脂可用于包埋组织样本，然后切成非常薄的切片（0.1μm），用电子显微镜进行观察。此外，在从活体取出组织样本后立即将其冷冻，会形成一个由冰构成的即时支持介质。可以在零下温度下进行切片，并在取样后几分钟内获得可检查的组织学标本，这是外科医生在决定如何进行手术时常用的常规方法。 #### 2.2.3 组织切片 使用切片机切割薄片，切片机将包埋的组织样本牢固固定，并使用非常锋利的刀片切割薄片。通常，石蜡包埋的组织样本可以切成 5μm 厚的切片。然后将切片放在玻璃显微镜载玻片上，准备进行染色程序，以便观察组织样本的成分。 ### 2.3 光学显微镜下组织可视化方法 由于大多数染色方法使用水溶性染料，石蜡包埋的组织切片需要通过与包埋组织时相反的溶剂序列进行处理，以去除石蜡并使组织样本恢复到水溶液状态。 许多染色方法依赖于染料对组织中特定分子构型的化学吸引力。最常用的显示组织总体形貌的技术是使用苏木精和伊红（H&E）染色。大约一半的相关图片是用 H&E 方法染色的切片的显微照片，其他图片是用特殊方法制备的切片，如文中和图注所示。 #### 2.3.1 H&E 染色法 - **苏木精**：是一种碱性染料，与组织中的酸性成分结合，产生蓝/紫色。通常，苏木精会与细胞核结合，因为细胞核含有脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。在 H&E 染色的切片中，含有大部分非活性 DNA 的细胞核呈现为深色结构。在某些情况下，细胞核的部分区域染色较浅，这表明 DNA 呈解旋状态，在固定前处于活跃使用状态。此外，在一些染色较浅的细胞核中，可能会出现一个小而致密的圆形染色区域，这是核仁。苏木精对核仁中 RNA 的深染色表明细胞正在积极合成蛋白质。合成大量蛋白质的细胞在其细胞质中也含有大量 RNA，这些 RNA 也能与苏木精结合，呈现蓝紫色。 - **伊红**：是一种酸性染料，与碱基结合。许多细胞的细胞质中的蛋白质和细胞外基质中的蛋白质会被伊红染色，呈现红色或橙粉色。 #### 2.3.2 组织化学和免疫组织化学 与染料染色不同，组织化学和免疫组织化学技术涉及特定的化学反应或免疫反应，以检测组织的各种成分。例如，组织化学可用于检测碳水化合物的类型和位置以及酶的存在。免疫组织化学可以通过应用标记抗体来检测作为抗原的分子，这些抗体可以用显微镜观察到。 ### 2.4 图片说明 大多数相关图片是在蔡司或奥林巴斯光学显微镜上拍摄的，使用的镜头放大倍数在×12 到×120 之间（一些血细胞的图片使用放大倍数约为×350 的镜头拍摄）。一些图像是用彩色正片透明胶片（约 10×13cm）拍摄的，其他的使用 35mm 胶片（负片和正片），还有一些使用数码相机，除了显微镜镜头的放大倍数外，还有×4 的光学放大倍数。超过一半的光学显微镜图片是专门为此次研究拍摄的，其他光学和电子显微镜图像来自相关机构制备和存档的材料。 ### 2.5 组织学中的解释挑战 #### 2.5.1 大小评估 在通过研究组织学切片来解释结构和功能时，一个挑战是如何评估所观察物体的大小。如果能识别出红细胞，它们可以作为粗略的尺度来估计其他结构的大小，因为红细胞的最大直径约为 7μm。但并非所有红细胞都会通过其最大直径进行切片，因此在与红细胞比较评估其他结构大小时需要谨慎。 #### 2.5.2 三维结构解读 另一个挑战是，将三维结构切成非常薄的切片并作为二维结构进行观察时，会产生多种外观。例如，切片一个弯曲的、去皮的香蕉，沿其长度切片会显示出曲线和它是一个实心物体；与香蕉长度成直角切片会产生圆形（实心）切片，靠近端部切片的直径会比中间切片的直径小；斜切切片会产生实心椭圆形状，其形状和大小会根据切割角度而变化。显微镜载玻片上的组织学切片需要通过从其二维外观构建可能的三维形状来进行解释。例如，如果在组织学切片中看到一个空心圆形结构，它可能来自一个空心球体，或者是与长度成直角切割的直的或盘绕的空心管的一部分。 #### 2.5.3 人为假象判断 人为假象给组织学切片的解释带来了其他挑战。人为假象是组织学切片中由于组织样本制备过程而出现的外观。在固定过程中，例如用甲醛固定时，许多小的水溶性分子没有被“固定”在原位，即使那些被固定的分子也可能收缩并与相邻结构分离。在组织学切片中看到的空间（如图所示）必须进行评估，并确定其原因（是否为人为假象）。经验和对所检查结构的了解有助于识别某些空间是否为人为假象。例如，图中的某些空间是人为假象，而另一些空间（如小肠的空腔）则不是。组织样本中的其他空的空间可能是由于常规组织学处理中使用的有机溶剂提取了脂肪，或者是由于某些成分与使用的染色剂不发生反应。 #### 2.5.4 组织状态判断 对于组织病理学家和研究人员来说，另一个挑战是判断所检查的组织切片是正常还是异常。在某些情况下，如果组织在死亡后没有迅速固定，会发生坏死，这会改变切片组织的外观。此外，组织病理学家和研究人员必须能够解释组织样本的外观，并在整个身体的背景下考虑组织与时间的关系。解读之前发生的情况可能有助于诊断疾病，预测患者可能发生的情况可能至关重要，特别是当组织样本显示出癌症迹象时。 ### 2.6 组织学标本制备流程 ```mermaid graph LR A[组织样本] --> B[固定（甲醛）] B --> C[处理（酒精、溶剂）] C --> D[包埋（石蜡）] D --> E[切片（切片机）] E --> F[处理（去除石蜡）] F --> G[染色（H&E等）] G --> H[观察（显微镜）] ``` ### 2.7 组织学解释要点总结 |解释要点|说明| | ---- | ---- | |大小评估|以红细胞为参考，注意切片方式对评估的影响| |三维结构解读|从二维切片构建可能的三维形状| |人为假象判断|结合经验和知识判断空间是否为假象| |组织状态判断|考虑组织与时间的关系，判断正常或异常| ## 3. 组织学研究的意义和应用 组织学研究不仅仅是对微观解剖结构的探索，它还为理解细胞、组织和器官的内部运作提供了重要线索。通过组织学研究，我们可以在不同层面上建立起结构与功能之间的联系，将解剖学家研究的大体解剖结构、生理学家研究的整体身体功能以及生物化学家研究的代表分子的抽象公式紧密结合起来。因此，组织学是医学研究以及许多其他生命科学和应用生命科学研究的基础。 ### 3.1 医学教育中的应用 在现代医学本科课程中，基础科学强调与学生相关的主要知识点。组织学相关的高质量插图和简洁文本，聚焦于关键特征，非常适合这样的课程设置。它能够帮助医学生理解正常组织的结构和功能，为后续学习疾病的病理过程奠定基础。例如，在学习各种疾病时，了解正常组织的组织学特征有助于识别病变组织的异常变化，从而进行准确的诊断。 ### 3.2 其他科学课程中的应用 除了医学专业，组织学对于其他本科科学课程也具有重要价值。在研究动物（非人类）的结构和功能时，组织学知识可以帮助学生理解不同动物组织的特点和适应性。例如，比较不同物种的肌肉组织或神经组织，有助于了解它们在进化过程中的差异和相似性。 ### 3.3 研究生阶段的应用 对于需要在研究生阶段（医学或科学领域）深入了解组织学的人来说，相关研究也具有重要意义。它不仅可以帮助他们掌握组织学的基本原理和技术，还能为他们开展进一步的研究提供基础。例如，在研究疾病的发病机制、开发新的治疗方法或进行组织工程研究时，组织学知识是必不可少的。 ### 3.4 推动身体结构和功能研究的潜力 组织学研究还展示了利用组织学方法推动身体结构和功能研究的潜力。通过不断改进显微镜技术和标本制备方法，我们可以更深入地了解细胞和组织的微观结构和功能。例如，利用先进的成像技术和分子生物学方法，我们可以研究细胞内的信号传导通路、基因表达调控等过程，为揭示生命的奥秘提供更多的线索。 ## 4. 总结 ### 4.1 组织学的核心要点 - **定义**：组织学是对组织的微观结构和功能的研究。 - **组织类型**：身体的组成部分可分为上皮组织、结缔组织、肌肉组织和神经组织四种类型，这些组织由细胞和细胞外物质组成，共同执行特定功能。 - **结构组成**：不同组织的组合形成器官和身体的其他组成部分，各种器官和结构又共同构成身体的系统，执行相关功能。 ### 4.2 组织学研究的常规流程 |步骤|具体操作| | ---- | ---- | |固定|将组织浸入甲醛溶液，尽可能保存分子及其在组织中的结构排列，防止坏死| |处理|用能与熔融石蜡相溶的溶剂替换组织中的水分| |包埋|将组织置于熔融石蜡中冷却，使固体石蜡支持组织| |切片|切割石蜡包埋的组织薄片并附着在显微镜载玻片上| |处理|去除石蜡，使组织恢复到水溶液状态| |染色|使用苏木精和伊红等染色剂，使组织成分可视化| ### 4.3 组织学解释的关键方面 - **三维结构构建**：从二维图像推断可能的三维结构。 - **结构评估**：评估结构的大小、身份（包括化学成分）和功能。 - **假象判断**：判断外观是否由人为假象引起。 - **时间意义考量**：考虑组织样本在时间方面的意义，例如判断类似组织留在体内是否会有害。 ### 4.4 组织学研究的重要性 组织学研究在医学教育、其他科学课程以及研究生阶段的研究中都具有重要价值。它不仅为理解正常生理过程提供了基础，还为研究疾病的发生发展机制、开发新的治疗方法等提供了重要的手段。通过不断探索和研究组织学，我们可以更深入地了解身体的结构和功能，为人类健康和生命科学的发展做出贡献。 ### 4.5 组织学研究流程总结图 ```mermaid graph LR A[组织学研究] --> B[样本获取] B --> C[固定] C --> D[处理] D --> E[包埋] E --> F[切片] F --> G[处理] G --> H[染色] H --> I[观察与解释] I --> J[应用与研究] ``` 组织学作为一门研究微观世界的科学，为我们打开了了解身体奥秘的大门。通过不断改进技术和方法，我们可以更深入地探索组织的结构和功能，为医学和生命科学的发展做出更大的贡献。在未来的研究中，组织学有望在疾病诊断、治疗和预防等方面发挥更加重要的作用。