对细胞中的纳米级结构进行成像的传统方法是使用高功率、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先扩张组织的方法——这项技术使他们能够使用传统光学显微镜实现纳米级分辨率。
在该技术的最新版本中，研究人员已能够通过一个步骤将组织扩大20倍。这种简单、廉价的方法可以为几乎所有生物实验室进行纳米级成像铺平道路。
“这使得成像变得民主化，”麻省理工学院诺华化学教授、麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所及麻省理工学院科赫综合癌症研究所成员LauraKiessling表示。
“如果没有这种方法，如果你想要以高分辨率观察物体，你就必须使用非常昂贵的显微镜。这项新技术可以让你看到用标准显微镜通常看不到的东西。它降低了成像成本，因为你可以看到纳米级的东西，而不需要专门的设备。”
通过该技术实现的分辨率约为20纳米，科学家可以看到细胞内的细胞器以及蛋白质簇。
“二十倍的扩展将带你进入生物分子运作的领域。生命的组成部分是纳米级的东西：生物分子、基因和基因产物，”麻省理工学院Y.EvaTan神经技术教授、生物工程、媒体艺术与科学以及脑和认知科学教授、霍华德休斯医学研究所研究员、麻省理工学院麦戈文脑研究所和科赫综合癌症研究所成员EdwardBoyden说。
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ShiweiWang和TayWonShin博士是该论文的主要作者。
单一扩展
博伊登的实验室于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，并分解通常将组织结合在一起的蛋白质。当加入水时，凝胶会膨胀并将生物分子彼此拉开。
该技术的原始版本将组织扩大了约四倍，使研究人员能够获得分辨率约为70纳米的图像。2017年，博伊登的实验室修改了该过程，加入了第二个扩展步骤，实现了整体20倍的扩展。这可以实现更高的分辨率，但过程更为复杂。
“我们过去开发过几种20倍扩增技术，但它们需要多个扩增步骤，”博伊登说。“如果你能在一个步骤中完成如此大规模的扩增，那么事情就会变得简单很多。”
经过20倍的扩展，研究人员可以使用传统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，研究人员打算仅用一个步骤就完成20倍的膨胀。这意味着他们必须找到一种吸水性极佳且机械稳定性好的凝胶，这样它在膨胀20倍时才不会散开。
为了实现这一目标，他们使用了一种由N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)和丙烯酸钠组成的凝胶。与之前依靠添加另一种分子在聚合物链之间形成交联的膨胀凝胶不同，这种凝胶可以自发形成交联，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方案，但得到的凝胶只能膨胀约10倍。麻省理工学院的研究团队优化了凝胶和聚合过程，使凝胶更加坚固，并允许膨胀20倍。
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除去了氧气，这可以防止干扰交联的副反应。此步骤需要将氮气通入聚合物溶液，以取代系统中的大部分氧气。
凝胶形成后，将组织结合在一起的蛋白质中的特定键被破坏，然后加入水使凝胶膨胀。膨胀完成后，组织中的目标蛋白质就可以被标记和成像。
Shin表示：“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，尤其是3D成像时，这种方法要简单得多。我们在手稿中记录了分步协议，以便读者可以轻松阅读。”
微小结构成像
利用这项技术，研究人员能够对脑细胞内的许多微小结构进行成像，包括被称为突触纳米柱的结构。这些是神经元突触处以特定方式排列的蛋白质簇，使神经元能够通过分泌多巴胺等神经递质相互交流。
在癌细胞研究中，研究人员还对微管进行了成像——微管是一种中空的，有助于形成细胞结构，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)，甚至单个核孔复合体(控制进入细胞核的蛋白质簇)的组织。
王现在正在使用这项技术对碳水化合物(即聚糖)进行成像，聚糖存在于细胞表面，有助于控制细胞与环境的相互作用。这种方法还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了解蛋白质在细胞内的组织方式。
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种技术，因为它依赖于标准的、现成的化学品和常见设备，如共聚焦显微镜和手套袋，大多数实验室已经拥有或可以轻松获得这些设备。
王说：“我们希望，有了这种新技术，任何传统的生物实验室都可以在现有的显微镜上使用该协议，从而达到只有使用非常专业且昂贵的先进显微镜才能达到的分辨率。”
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