據(jù)悉，科學(xué)家們研究出了一種叫expansion microscopy新技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)使用一種通常在嬰兒尿布中可以找到的材料使生物組織膨脹，從而有效解決了光學(xué)顯微鏡的不能區(qū)分距離小于200納米的物體的難題。

這項(xiàng)新技術(shù)主要是可使用一種在嬰兒尿布中可以找到的材料使生物組織膨脹。劍橋麻省理工學(xué)院（MIT）的神經(jīng)學(xué)工程師（neuroengineer）Edward Boyden在上個(gè)月舉行的一場(chǎng)會(huì)議中與他MIT的同事Fei Chen 和 Paul Tillberg報(bào)告了該技術(shù)。

Expansion microscopy：超分辨率顯微鏡的轉(zhuǎn)折

Expansion microscopy是超分辨率顯微鏡的一個(gè)轉(zhuǎn)折。2014年，美國(guó)科學(xué)家埃里克•白茲格（Eric Betzig），德國(guó)科學(xué)家斯特凡•W•赫爾（Stefan W. Hell），美國(guó)科學(xué)家威廉姆•艾斯科•莫爾納爾（William E. Moerner）因超分辨率熒光顯微技術(shù)獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這兩種技術(shù)都在試圖繞過(guò)物理定律帶來(lái)的限制。

1873年，德國(guó)物理學(xué)家Ernst Abbe推斷，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡不能區(qū)分距離小于200納米的物體，這大約是可見(jiàn)光[much]短波長(zhǎng)的一半。距離小于這個(gè)衍射極限的話，物體會(huì)變得模糊。光學(xué)顯微鏡的髙至分辨率只能達(dá)到橫向200納米，縱向600納米。

超高分辨顯微鏡通過(guò)使用熒光分子綁定蛋白，更好的定位分子的發(fā)光來(lái)源，從而克服了Abbe指出的限制。利用這種技術(shù)，科學(xué)家可以區(qū)別出距離近達(dá)20納米的物體。不過(guò)這項(xiàng)技術(shù)需要昂貴的、專業(yè)的設(shè)備，但可以解決一些厚結(jié)構(gòu)的研究難題，比如大腦或腫瘤。

神經(jīng)科學(xué)家們一直想收集大腦更多的分子細(xì)節(jié)，比如神經(jīng)突觸中蛋白的位置、兩個(gè)神經(jīng)傳遞信息處的連接、甚至環(huán)繞大腦的一組神經(jīng)元。

在NIH的會(huì)議中，Boyden說(shuō)：“我們一直想做的就是找出讓物體變得更大的方法。”為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，他的團(tuán)隊(duì)用了一種叫做acrylate的化合物，該物質(zhì)含有兩種特性：，它可以形成密集的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將蛋白質(zhì)固定住；第二，它在水存在的情況下會(huì)膨脹。

加點(diǎn)水，一切變得很神奇

首先，組織需要經(jīng)過(guò)一組化學(xué)混合物處理，使它變得透明；然后，用熒光分子綁定特定蛋白；[much]后將acrylate注入組織中。就像嬰兒尿布一樣，加水會(huì)使acrylate聚合物膨脹。經(jīng)過(guò)拉伸，熒光標(biāo)記的分子之間的距離越來(lái)越遠(yuǎn)。之前因?yàn)樘鼰o(wú)法區(qū)別的蛋白在光學(xué)顯微鏡中有了新的焦點(diǎn)。在Boyden的展示中，該技術(shù)可以解決膨脹前分子距離近達(dá)60納米的難題。

[much]重要的一點(diǎn)是，膨脹的過(guò)程很大程度上維持了蛋白之間的相對(duì)方向和連接，保持其它細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整。該技術(shù)使蛋白相對(duì)位置的失真程度為1-4%。Expansion microscopy與其它超高分辨技術(shù)相比表現(xiàn)了良好的性能。

在一項(xiàng)試驗(yàn)中，研究人員用Expansion microscopy測(cè)定膨脹的小鼠大腦神經(jīng)突觸兩端的蛋白質(zhì)之間的距離，結(jié)果與用超高分辨技術(shù)測(cè)量的數(shù)據(jù)幾乎相同。

此外，Expansion microscopy在復(fù)雜組織的三維成像上表現(xiàn)的更好。在會(huì)議中，Boyden展示了一個(gè)半毫米厚度的小鼠大腦海馬區(qū)的圖像，揭示了鄰近神經(jīng)元之間的連接。放大圖像還能看到突觸結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，叫做boutons，是釋放神經(jīng)遞質(zhì)的地方。Boyden的團(tuán)隊(duì)用Expansion microscopy還研究了果蠅和斑馬魚(yú)的大腦，目前正在用研究人類的大腦。

悉尼大學(xué)顯微鏡專家Guy Cox說(shuō)：“Expansion microscopy確實(shí)非常巧妙，但是它的實(shí)際用途有多大還不清楚。如果它要用在很關(guān)鍵的地方，我推測(cè)它會(huì)與超高分辨技術(shù)結(jié)合起來(lái)。它的著重點(diǎn)應(yīng)該是分子研究，而不是整個(gè)細(xì)胞。