细胞内纳米级结构成像的扩展技术使高分辨率成像更容易实现

对细胞中的纳米级结构进行成像的一种经典方法是使用高性能、昂贵的超分辨率显微镜。作为替代方案，麻省理工学院的研究人员开发了一种在成像之前扩展组织的方法，这种技术使他们能够用传统的光学显微镜实现纳米级分辨率

在这项技术的最新版本中，研究人员已经可以一步将组织扩大20倍。这种简单、廉价的方法可以为几乎任何生物实验室进行纳米级成像铺平道路

麻省理工学院诺华化学教授劳拉·基斯林说：“这使成像民主化

“如果没有这种方法，如果你想以高分辨率看到东西，你就必须使用非常昂贵的显微镜。这项新技术让你看到的是你通常用标准显微镜看不到的东西。它降低了成像成本，因为你可以在不需要专门设施的情况下看到纳米级的东西。”

在这项技术达到的约20纳米的分辨率下，科学家可以看到细胞内的细胞器以及蛋白质簇

麻省理工学院神经技术Y.Eva Tan教授Edward Boyden说：“20倍的扩展让你进入生物分子运作的领域。生命的基石是纳米级的东西：生物分子、基因和基因产物。”；生物工程、媒体艺术与科学、脑与认知科学教授；霍华德休斯医学研究所研究员；以及麻省理工学院麦戈文脑研究所和科赫癌症综合研究所的成员

Boyden和Kiessling是这项新研究的资深作者，该研究发表在《自然方法》杂志上。麻省理工学院研究生王世伟和申泰元博士是这篇论文的主要作者

Boyden的实验室在2015年发明了膨胀显微镜。该技术需要将组织嵌入吸收性聚合物中，并分解通常将组织固定在一起的蛋白质。当加入水时，凝胶膨胀并将生物分子相互拉开

这项技术的原始版本将组织扩展了大约四倍，使研究人员能够获得分辨率约为70纳米的图像。2017年，Boyden的实验室修改了该过程，增加了第二个扩展步骤，实现了整体20倍的扩展。这使得分辨率更高，但过程更复杂

Boyden说：“我们过去开发了几种20倍的扩展技术，但它们需要多个扩展步骤。”。“如果你能在一个步骤中完成这么多的扩展，这可以大大简化事情。”

通过20倍的扩展，研究人员可以使用传统的光学显微镜将分辨率降低到约20纳米。这使他们能够看到微管和线粒体等细胞结构，以及蛋白质簇

在这项新研究中，研究人员开始用一步完成20倍的扩增。这意味着他们必须找到一种既吸水性极强又机械稳定的凝胶，这样它在膨胀20倍时就不会破裂

为了实现这一目标，他们使用了由N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）和丙烯酸钠组装而成的凝胶。与之前依赖于添加另一个分子在聚合物链之间形成交联的膨胀凝胶不同，这种凝胶自发形成交联并表现出很强的机械性能

这种凝胶成分以前曾用于膨胀显微镜协议，但所得凝胶只能膨胀约十倍。麻省理工学院的团队优化了凝胶和聚合过程，使凝胶更坚固，并允许20倍的膨胀

为了进一步稳定凝胶并提高其可重复性，研究人员在凝胶化之前从聚合物溶液中去除了氧气，从而防止了干扰交联的副反应。这一步需要使氮气通过聚合物溶液，以取代系统中的大部分氧气

一旦凝胶形成，将组织固定在一起的蛋白质中的特定键就会断裂，并加水使凝胶膨胀。在进行扩增后，组织中的靶蛋白可以被标记和成像

Shin说：“与其他超分辨率技术相比，这种方法可能需要更多的样品准备，但在实际成像过程中要简单得多，尤其是对于3D成像。”。“我们在手稿中记录了循序渐进的方案，以便读者可以轻松阅读。”

成像微小结构

使用这项技术，研究人员能够对脑细胞内的许多微小结构进行成像，包括称为突触纳米柱的结构。这些是以特定方式排列在神经元突触上的蛋白质簇，使神经元能够通过分泌多巴胺等神经递质相互交流

在癌症细胞的研究中，研究人员还对微管-中空管进行了成像，这有助于赋予细胞结构，并在细胞分裂中发挥重要作用。他们还能够看到线粒体（产生能量的细胞器），甚至单个核孔复合物（控制进入细胞核的蛋白质簇）的组织

王现在正在使用这种技术来成像被称为聚糖的碳水化合物，聚糖存在于细胞表面，有助于控制细胞与环境的相互作用。这种方法也可用于对肿瘤细胞进行成像，使科学家能够比以前更容易地看到蛋白质在这些细胞内的组织方式

研究人员设想，任何生物实验室都应该能够以低成本使用这项技术，因为它依赖于标准的现成化学品和常见设备，如共聚焦显微镜和手套袋，而大多数实验室已经拥有或可以很容易地获得这些设备

王说：“我们希望，有了这项新技术，任何传统的生物实验室都可以在现有的显微镜上使用这一协议，使他们能够达到只有非常专业和昂贵的最先进显微镜才能达到的分辨率。” More information: Single-shot 20-fold expansion microscopy, Nature Methods (2024). DOI: 10.1038/s41592-024-02454-9

Journal information: Nature Methods