由于膨脹顯微成像技術(shù)（Expansion microscopy，ExM）的創(chuàng)新，我們可以前所未有地觀察細(xì)胞內(nèi)部和其他納米級(jí)結(jié)構(gòu)。這些進(jìn)展有助于為神經(jīng)科學(xué)、病理學(xué)和許多其他生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供未來(lái)的見(jiàn)解。

在1月2日發(fā)表的論文“Magnify is a universal molecular anchoring strategy for expansion microscopy”中，來(lái)自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、匹茲堡大學(xué)和布朗大學(xué)的合作者描述了被稱為“ Magnify”的新技術(shù)。

生物科學(xué)副教授招永欣(Leon)說(shuō):“Magnify可以成為生物技術(shù)一種有效和可用的工具?！?/p>

招永欣的生物光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室是通過(guò)物理膨脹樣品(稱為膨脹顯微鏡)實(shí)現(xiàn)生物樣品超分辨率成像領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。通過(guò)該過(guò)程，樣品被嵌入可膨脹的水凝膠中，該凝膠均勻膨脹以增加分子之間的距離，從而使它們能夠以更高的分辨率被觀察到。這使得以前只能使用昂貴的高分辨率成像技術(shù)才能看到的納米級(jí)生物結(jié)構(gòu)可以用標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡工具看到。

Magnify是膨脹顯微鏡的一種變體，它允許研究人員使用團(tuán)隊(duì)發(fā)明的一種新的水凝膠配方，該配方保留了生物分子的光譜，在各種組織中提供了更廣泛的應(yīng)用，并將膨脹率線性增加到11倍或原始體積的1300倍。

“我們克服了膨脹顯微鏡的一些長(zhǎng)期挑戰(zhàn)，”招永欣說(shuō)，“Magnify的主要賣(mài)點(diǎn)之一是將組織的生物分子(包括蛋白質(zhì)、細(xì)胞核片段和碳水化合物)保存在擴(kuò)展樣本內(nèi)的通用策略。”

招永欣說(shuō)，保持不同的生物成分完好無(wú)損很重要，因?yàn)橐郧暗姆桨感枰S多將組織連接在一起的各種生物分子。但這些分子對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)可能包含有價(jià)值的信息。

他說(shuō):“在過(guò)去，為了使細(xì)胞真正可膨脹，你需要使用酶來(lái)消化蛋白質(zhì)，所以最后，你得到了一個(gè)空凝膠，上面有標(biāo)簽，標(biāo)明了感興趣的蛋白質(zhì)的位置?！笔褂眠@種新方法，分子保持完整，并且可以在單個(gè)樣品中標(biāo)記多種類(lèi)型的生物分子。

“以前，考試就像單選題。如果你想標(biāo)記蛋白質(zhì)，那就是版本一。如果你想給原子核貼上標(biāo)簽，那將是一個(gè)不同的版本，如果你想進(jìn)行同步成像，這是很困難的?，F(xiàn)在有了‘Magnify’，你可以選擇多個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行標(biāo)記，比如蛋白質(zhì)、脂類(lèi)和碳水化合物，并將它們放在一起成像。”

實(shí)驗(yàn)室研究員Aleksandra Klimas是一名博士后研究員，他說(shuō):“這是一種方便的高分辨率標(biāo)本成像方法。”“傳統(tǒng)上，你需要昂貴的設(shè)備、特定的試劑和培訓(xùn)。然而，這種方法廣泛適用于許多類(lèi)型的樣品制備，可以用生物實(shí)驗(yàn)室里的標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡觀察?！?/p>

擁有神經(jīng)科學(xué)背景的Gallagher說(shuō)，他們的目標(biāo)是讓這些協(xié)議盡可能地兼容，讓研究人員可以從采用Magnify作為工具包的一部分中受益。

“它適用于不同的組織類(lèi)型、固定方法，甚至是保存和儲(chǔ)存的組織。它是非常靈活的，因?yàn)槟悴灰欢ㄐ枰匦略O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn);它會(huì)和你已有的東西一起工作?！?/p>

對(duì)于匹茲堡大學(xué)生物成像中心和匹茲堡癌癥研究所的創(chuàng)始人兼主任Simon Watkins等研究人員來(lái)說(shuō)，新方案與廣泛的組織類(lèi)型兼容——包括保存的組織切片——這一事實(shí)很重要。例如，大多數(shù)擴(kuò)展顯微鏡方法都是針對(duì)腦組織進(jìn)行優(yōu)化的。相比之下，Magnify在來(lái)自各種人體器官和相應(yīng)腫瘤(包括乳房、大腦和結(jié)腸)的樣本上進(jìn)行了測(cè)試。

Watkins說(shuō):“假設(shè)你有一個(gè)有密集和非密集成分的組織，這就繞過(guò)了以前不會(huì)等量擴(kuò)張的組織。Leon一直在努力研究這個(gè)問(wèn)題，讓這個(gè)方案適用于已經(jīng)存檔的組織?！?/p>

他的部分研究包括研究在人體導(dǎo)氣管中清除粘液的活動(dòng)纖毛。直徑200納米，長(zhǎng)度只有幾微米，如果沒(méi)有電子顯微鏡等耗時(shí)的技術(shù)，這些結(jié)構(gòu)太小了。Ren的團(tuán)隊(duì)與招的實(shí)驗(yàn)室合作，開(kāi)發(fā)并交付了具有纖毛超微結(jié)構(gòu)和功能特定缺陷的肺類(lèi)器官模型，驗(yàn)證Magnify可視化臨床相關(guān)纖毛病理的能力。

他說(shuō):“利用最新的放大技術(shù)，我們可以擴(kuò)大這些肺組織，甚至用普通顯微鏡也能看到運(yùn)動(dòng)纖毛的一些超微結(jié)構(gòu)，這將加快基礎(chǔ)和臨床研究?！?/p>

研究人員還能夠在已知有基因突變的患者特異性肺細(xì)胞中觀察到纖毛中的缺陷。

“肺組織工程界總是需要一種更好的方法來(lái)描述我們所研究的組織系統(tǒng)，”Ren說(shuō)。這項(xiàng)工作是重要的第一步，他希望與招實(shí)驗(yàn)室的合作將進(jìn)一步完善，并應(yīng)用于組織庫(kù)中發(fā)現(xiàn)的病理樣本。

最后，招實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的用于Magnify的水凝膠比其前身更堅(jiān)固，后者非常脆弱，在過(guò)程中會(huì)造成斷裂。

他說(shuō):“我們希望開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，讓大家更容易接觸到它?！薄斑@有不同的發(fā)展方向。人們對(duì)將這種組織擴(kuò)張技術(shù)用于基礎(chǔ)科學(xué)很感興趣。”

卡耐基梅隆大學(xué)生命科學(xué)教授Alison Barth研究學(xué)習(xí)過(guò)程中的突觸連通性。她說(shuō)，新方法提供的廣泛應(yīng)用將是研究人員的福音。

“大腦是利用這些超分辨率技術(shù)的好地方，顯微鏡方法將有利于不同大腦條件下的突觸表型和分析。

“這篇論文的主要進(jìn)展之一是該方法能夠在許多不同類(lèi)型的組織標(biāo)本上工作?！?/p>

文章標(biāo)題

Magnify is a universal molecular anchoring strategy for expansion microscopy