麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員開發(fā)了一種簡單且經(jīng)濟的單步組織擴展技術(shù)，可以在常規(guī)光學(xué)顯微鏡下實現(xiàn)納米級分辨率成像。這種技術(shù)被稱為“20倍擴展顯微技術(shù)”（20ExM），能夠?qū)⒔M織擴展到原來的20倍，從而使研究人員在約20納米的分辨率下觀察細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)，如細(xì)胞器和蛋白質(zhì)簇。

該技術(shù)的一個重大優(yōu)勢是，它使幾乎任何生物實驗室都能夠進行納米級成像，無需使用昂貴的超分辨率顯微鏡。正如MIT的Edward Boyden教授所指出的：“20倍擴展讓我們進入了生物分子運行的領(lǐng)域，生命的構(gòu)建模塊如生物分子、基因及其產(chǎn)物都處于納米尺度。”Boyden教授是麻省理工學(xué)院神經(jīng)技術(shù)領(lǐng)域的Y. Eva Tan教授，同時也是生物工程、媒體藝術(shù)與科學(xué)、大腦與認(rèn)知科學(xué)教授，并隸屬于霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所。

該技術(shù)的另一位聯(lián)合資深作者，麻省理工學(xué)院的化學(xué)教授Laura Kiessling博士補充道：“這項技術(shù)使得成像更加普及。以前，如果你想獲得高分辨率的圖像，必須使用非常昂貴的顯微鏡。而現(xiàn)在，使用這一新方法，你可以用普通顯微鏡看到原本無法觀察到的納米級結(jié)構(gòu)。這大大降低了成像的成本?！?/p>

這一技術(shù)的研究成果已發(fā)表在《自然方法》期刊上，文章題為《單步20倍擴展顯微技術(shù)實現(xiàn)常規(guī)顯微鏡下18納米分辨率成像》。文章的第一作者是麻省理工學(xué)院的研究生王世偉和博士后研究員申泰源。

擴展顯微技術(shù)（ExM）最初由Boyden實驗室于2015年發(fā)明，最早版本可以將組織擴展至4倍左右的體積，成像分辨率約為70納米。在2017年，研究人員通過加入第二次擴展步驟，使整體擴展倍數(shù)達(dá)到20倍，分辨率提升至20納米。然而，這個過程較為復(fù)雜，需要多次擴展步驟。

在最新的研究中，研究團隊旨在通過單一步驟實現(xiàn)20倍擴展。這要求找到一種既能吸水又具有極高機械穩(wěn)定性的凝膠，避免在擴展時出現(xiàn)破裂。經(jīng)過優(yōu)化，他們采用了N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）和丙烯酸鈉（SA）組成的凝膠，這種凝膠能夠自發(fā)形成交聯(lián)，并表現(xiàn)出良好的機械性能。

為了進一步提高凝膠的穩(wěn)定性，研究人員還從聚合物溶液中去除了氧氣，防止了不必要的副反應(yīng)，從而確保凝膠形成穩(wěn)定。這一技術(shù)使得研究人員能夠在普通顯微鏡下觀察到如神經(jīng)元突觸中的蛋白質(zhì)簇、微管結(jié)構(gòu)、線粒體以及核孔復(fù)合物等微小的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

研究人員指出，這種方法雖然在樣本準(zhǔn)備上比其他超分辨率技術(shù)稍微復(fù)雜一些，但成像過程特別是三維成像則簡單得多。王世偉正在利用這項技術(shù)對細(xì)胞表面的一類碳水化合物——糖鏈進行成像，這類分子有助于調(diào)控細(xì)胞與環(huán)境的相互作用。

該團隊總結(jié)道：“20ExM憑借其高性能和簡單性，預(yù)計將在生物學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。我們希望任何生物實驗室都能夠借助這項技術(shù)，用現(xiàn)有的顯微鏡進行納米級成像，而無需昂貴的專用設(shè)備?！?/p>

參考資料：https://www.nature.com/articles/s41592-024-02454-9

編輯：周敏

排版：李麗