图｜得益于一种能够在成像前将组织扩展 20 倍的新技术，MIT 研究人员使用传统光学显微镜生成了突触（左）和微管（右）的高分辨率图像。在左图中，突触前的蛋白质标记为红色，突触后的蛋白质标记为蓝色，每个蓝红“夹层”代表一个突触。（来源：MIT News）
传统的细胞纳米结构成像通常依赖昂贵且高性能的超分辨率显微镜。作为一种替代方案，MIT 的研究人员开发了一种通过扩展组织来实现成像的方法，这使得他们能够使用普通的光学显微镜实现纳米级分辨率。在该技术的最新版本中，研究人员可以一步实现组织 20 倍的扩展。这种简单而廉价的方法将使几乎所有的生物实验室都能进行纳米级成像。“这真正普及了成像技术，”MIT 的 Novartis 化学教授，同时也是 MIT 和哈佛大学 Broad 研究所以及 MIT Koch 癌症研究所成员的 Laura Kiessling 表示。“过去，如果你想看到高分辨率的细节，就需要非常昂贵的显微镜。而现在，这种新技术让你可以用普通显微镜观察到那些通常看不到的微小结构。它大大降低了成像的成本，因为你无需依赖昂贵的专业设备就能看到纳米级的细节。”通过该技术实现的分辨率约为 20 纳米，足以让科学家观察到细胞内的细胞器和蛋白质簇。“20 倍的扩展已经达到了生物分子作用的范围。生命的构成基础是纳米级的东西：生物分子、基因和基因产物。”MIT 的 Y. Eva Tan 神经技术教授 Edward Boyden 说。他同时也是生物工程、媒体艺术与科学、以及大脑与认知科学的教授，霍华德休斯医学研究所的研究员，且是 MIT McGovern 脑研究所和 Koch 癌症研究所的成员。Boyden 和 Kiessling 是这项新研究的资深作者，该研究今天发表在《Nature Methods》杂志上。MIT 研究生 Shiwei Wang 和 Tay Won Shin（2023 年获得博士学位）是该论文的主要作者。
一次性扩展Boyden 的实验室在 2015 年首次发明了扩展显微术。这种技术将组织嵌入到一种吸水性聚合物中，并打破那些通常将组织紧密连接在一起的蛋白质。当加入水后，凝胶会膨胀，并将生物分子彼此分开。最初版本的技术可以将组织扩展约四倍，获得约 70 纳米分辨率的图像。在 2017 年，Boyden 的实验室对这一过程进行了改进，通过增加第二次扩展步骤，实现了总体 20 倍的扩展，从而获得了更高的分辨率，但这一过程也更为复杂。“我们之前开发过几种 20 倍扩展技术，但都需要多次扩展步骤。”Boyden 说，“如果能够在一次扩展中实现这一程度的扩展，那将大大简化操作流程。”通过 20 倍扩展，研究人员可以使用普通光学显微镜将分辨率降至约 20 纳米，从而能够观察到微管、线粒体等细胞结构以及蛋白质簇。在这项新研究中，研究团队尝试通过单步操作实现 20 倍的扩展。为此，他们需要找到一种既高度吸水又具有机械稳定性的凝胶，确保在扩展 20 倍时不会破裂。他们使用了由 N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）和丙烯酸钠制成的凝胶。这种凝胶不同于传统扩展技术中需要添加交联分子的凝胶，能自行形成交联，且机械性能更强。此前，这类凝胶曾用于扩展显微术，但只能扩展约 10 倍。MIT 团队优化了凝胶配方和聚合过程，使其更加稳固，能够实现 20 倍扩展。为了进一步增强凝胶的稳定性和可重复性，研究人员在凝胶形成之前先去除了聚合物溶液中的氧气，以防止交联反应的干扰。这个步骤通过向聚合物溶液中通入氮气完成，取代了系统中的大部分氧气。凝胶形成后，将组织内部的蛋白质键断裂，再加水使其膨胀。扩展完成后，目标蛋白质即可被标记并成像。“相比其他超分辨率技术，这种方法可能需要更多的样品制备，但在实际成像过程中，尤其是进行三维成像时，它要简单得多。”Shin 说，“我们在论文中详细记录了操作步骤，方便读者轻松使用。”
成像微小结构利用这一技术，研究人员成功成像了许多脑细胞内的微小结构，包括被称为突触纳米柱的结构。这些蛋白质簇以特定方式排列在神经元的突触处，使神经元能够通过分泌如多巴胺等神经递质进行沟通。在癌细胞的研究中，研究人员还观察到了微管——这些中空的管状结构帮助细胞保持形态，并在细胞分裂中起着关键作用。他们还成功成像了线粒体（细胞的能量生成器），甚至还看到了单个核孔复合体（控制进入细胞核的蛋白质簇）的组织结构。Wang 目前正在使用这种技术成像细胞表面的糖类化合物（糖链），这些分子帮助细胞与外界环境相互作用。这一方法也可用于成像肿瘤细胞，使科学家们能够以前所未有的便捷方式观察这些细胞内部的蛋白质组织结构。研究团队希望任何生物实验室都能以较低成本使用它，由于该技术使用的是标准的现成化学品和常见设备（如共聚焦显微镜和手套箱）。“我们希望通过这项新技术，任何生物学实验室都能使用现有的显微镜，应用这个协议来获得仅使用非常昂贵且专业的顶尖显微镜才能达到的分辨率。”Wang 说。该研究由美国国立卫生研究院、MIT 总统研究生奖学金、美国国家科学基金会研究生奖学金、Open Philanthropy、Good Ventures、霍华德休斯医学研究所、Lisa Yang、Ashar Aziz 和欧洲研究理事会部分资助。原文链接：https://news.mit.edu/2024/new-method-makes-high-resolution-imaging-more-accessible-1011
