REVIEW ARTICLE

Advances in tissue optical clearing for 3D imaging in large animal  

Yating Deng,Jianyi Xu,Tingting Yu,Dan Zhu

25 Aug 2025 Article: 18 https://doi.org/10.1007/s12200-025-00162-6

Abstract: Three-dimensional reconstruction of tissue architecture is crucial for biomedical research. Tissue optical clearing technology overcomes light scattering limitations in biological tissues, providing an essential tool for high-resolution three-dimensional imaging. Given the high degree of similarity between large model animals (e.g., pigs, non-human primates) and humans in terms of anatomical structure, physiologic function, and disease mechanisms, the application of this technology in these models holds significant value for biomedical research. While well-established tissue clearing protocols exist for tissue sections, whole organs, and even entire bodies in rodents, scaling up to large animal specimens presents substantial challenges due to dimensional effects and compositional variations. This review systematically examines the methodological translation from rodent to large animals, particularly on species-specific differences in brain architecture and parenchymal organ composition that critically impact clearing efficiency. We comprehensively summarize recent applications in large animals, focusing on representative areas including neural circuit mapping, sensory organ imaging, and other related research domains, while proposing optimization strategies to overcome cross-species compatibility barriers. We hope this review will serve as a valuable reference for advancing tissue optical clearing applications in large-animal biomedical research.

研究背景

组织光透明技术通过调节生物组织内折射率（RI）的均一性，克服了光散射对成像深度的限制，为实现器官级别的高分辨率三维成像提供了关键工具。该技术在小鼠模型（如脑切片、全器官乃至全身透明化）中已发展出疏水性、亲水性和水凝胶包埋三大类方法，并趋于成熟。然而，在解剖结构、生理功能及疾病机制与人类高度相似的大型模式动物（如猪、非人灵长类）中应用该技术时，面临着因组织尺寸巨大和物种间固有成分差异（如髓鞘密度、细胞外基质组成）所带来的“尺度可比但方法不兼容”的核心挑战，严重阻碍了其生物医学研究价值的发挥。

研究意义

本研究系统梳理了组织光透明技术从啮齿类向大型动物转化的方法论、挑战及应用，具有重要的理论价值与实践意义。理论层面，它深刻揭示了物种间组织特性（如大脑白质/灰质比例、脂质组成、髓鞘化模式及实质器官结构异质性）对透明效率的内在影响机制。实践层面，它为在大型动物中研究人类复杂疾病（如神经退行性疾病、代谢性疾病）提供了强大的三维结构解析工具，极大地推动了转化医学研究，为连接临床前研究与临床应用搭建了桥梁。

主要内容

1. 大型动物的组织特性与挑战：文章详细比较了啮齿类、猪、非人灵长类与人类在组织结构和成分上的关键差异。大型动物大脑具有更高的白质比例、更致密的髓鞘、更高的组织刚度以及更复杂的血管化模式；其实质器官（如心、肝）则表现出更高的细胞外基质密度和独特的脂质谱。这些根本性差异导致直接移植小鼠透明方案时，出现试剂渗透效率极低、脂质去除不彻底、RI匹配不均一以及长期处理导致抗原性丧失和组织结构坍塌等问题。 

2. 现有透明方法在大型动物中的适配与创新：当前策略主要通过对小鼠方案（如iDISCO, uDISCO, CUBIC, CLARITY）进行参数调整（如延长处理时间）来适配大型动物组织。近年来，也涌现出一些专门针对大型动物或人类组织特性开发的新方法，例如利用小胶束两性离子去垢剂CHAPS实现全人脑透明的SHANEL、针对灵长类优化渗透与RI匹配的PuClear、以及耐戊二醛处理并可整合光镜电镜的ScaleSF等。这些方法在特定应用中取得了成功，但尚未形成统一的标准化方案。 

3. 大型动物中的应用进展：综述系统总结了该技术在大型动物各系统中的成功应用实例。

• 中枢神经系统：成功用于绘制非人灵长类全脑神经元连接图谱、可视化绵羊下丘脑KNDy神经元网络、研究脊髓损伤后轴突再生等。

• 感觉器官：实现了对 intact 猪耳蜗和雪貂眼球的透明化与三维成像，为听觉和视觉研究提供了新工具。

• 呼吸与循环系统：应用于猕猴淋巴结内疫苗成分定位、胎盘微血管3D定量分析、猪肺组织生物力学特性研究以及雪貂呼吸道病毒感染模式解析。

• 内分泌与代谢系统：实现了对肥胖猪模型脂肪组织的3D定量分析、猕猴骨髓中造血干细胞的空间分布成像以及转基因猪胰腺β细胞的分布可视化。

未来展望

未来的发展应聚焦于多个关键方向：1）样本预处理：开发动态调整试剂浓度和处理时间的分阶段渐进式策略，以更好地保持大样本的结构完整性；2）提升渗透效率：优化化学试剂参数（如胶束大小、粘度），并结合物理增强技术（如电场辅助SHIELD/eFLASH、灌注、超声）以加速试剂在大尺度组织中的输送；3）优化跨物种兼容性：建立包含器官尺寸、脂质组成等关键参数的物种特异性数据库，开发基于机器学习的预测模型和模块化试剂系统；4）技术创新：开发具有更强穿透力的纳米抗体标记、电场/超声辅助的抗体递送系统，并与先进成像技术（如提升穿透力和通量的光片显微镜、人工智能驱动的图像分析）相结合，系统性解决大型动物组织光透明面临的挑战。

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以上文字基于AI生成，仅供参考；请以原文为准。