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)域提供未來的見解。

在1月2日發(fā)表的論文“Magnify is a universal molecular anchoring strategy for expansion microscopy”中，來自卡內(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:“Magnify可以成為生物技術(shù)一種有效和可用的工具。”

招永欣的生物光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室是通過物理膨脹樣品(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。通過該過程，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期挑戰(zhàn)，”招永欣說，“Magnify的主要賣點(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，保持不同的生物成分完好無損很重要，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。但這些分子對研究人員來說可能包含有價值的信息。

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

“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，那將是一個不同的版本，如果你想進(jìn)行同步成像，這是很困難的。現(xiàn)在有了‘Magnify’，你可以選擇多個項目進(jìn)行標(biāo)記，比如蛋白質(zhì)、脂類和碳水化合物，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:“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。”

擁有神經(jīng)科學(xué)背景的Gallagher說，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型、固定方法，甚至是保存和儲存的組織。它是非常靈活的，因?yàn)槟悴灰欢ㄐ枰匦略O(shè)計實(shí)驗(yàn);它會和你已有的東西一起工作。”

對于匹茲堡大學(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等研究人員來說，新方案與廣泛的組織類型兼容——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腦組織進(jìn)行優(yōu)化的。相比之下，Magnify在來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)行了測試。

Watkins說:“假設(shè)你有一個有密集和非密集成分的組織，這就繞過了以前不會等量擴(kuò)張的組織。Leon一直在努力研究這個問題，讓這個方案適用于已經(jīng)存檔的組織。”

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纖毛。直徑200納米，長度只有幾微米，如果沒有電子顯微鏡等耗時的技術(shù)，這些結(jié)構(gòu)太小了。Ren的團(tuán)隊與招的實(shí)驗(yàn)室合作，開發(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:“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)動纖毛的一些超微結(jié)構(gòu)，這將加快基礎(chǔ)和臨床研究。”

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描述我們所研究的組織系統(tǒng)，”Ren說。這項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)用于組織庫中發(fā)現(xiàn)的病理樣本。

最后，招實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的用于Magnify的水凝膠比其前身更堅固，后者非常脆弱，在過程中會造成斷裂。

他說:“我們希望開發(fā)這項技術(shù)，讓大家更容易接觸到它。”“這有不同的發(fā)展方向。人們對將這種組織擴(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)過程中的突觸連通性。她說，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型的組織標(biāo)本上工作。”

文章標(biāo)題

Magnify is a universal molecular anchoring strategy for expansion microscopy