Nature新闻：超越极限的突破性技术

　　

生物通报道：科学家们利用婴儿尿不湿里的吸水材料让大脑组织膨胀，使普通显微镜达到了60nm的分辨率。

显微镜能为我们放大活细胞和组织的影像，要是我们真的能将它们放大会怎么样呢？这听起来像是《爱丽丝漫游仙境》那样的童话故事，但实际上科学家们已经开发出了这样的技术。这种放大技术可以在常规显微镜下成像整个大脑，揭示超越光学极限的分子细节。

上个月，麻省理工的Edward Boyden在一次会议上展示了自己和Fei Chen、Paul Tillberg开发的膨胀显微技术（expansion microscopy，生物通译）。

异曲同工的技术

膨胀显微技术与超高分辨率显微技术有异曲同工之妙，都能超越显微成像的衍射极限。去年，美国和德国的三位科学家因为超高分辨率显微技术获得了诺贝尔化学奖。

几个世纪以来，光学显微镜的“衍射极限”一直被认为是无法超越的。近年来，科学家们从不同途径“突破”了这一极限，使人们能够分辨相距少于200nm的两个物体。目前的超高分辨率显微技术能够分辨相距约20nm的物体。不过这一技术需要昂贵的专业仪器，而且在厚样本中效果并不那么理想。

神经学科学家都希望在一群神经元甚至整个大脑中，确定神经突触上的蛋白定位。“我们尝试将一切放大，”Boyden在美国NIH的一次会议上说。为此，他的研究团队使用了丙烯酸盐（acrylate），丙烯酸盐是婴儿尿不湿中主要的锁水成分。这一物质有两个特别的性能，一是形成可以固定蛋白的网，二是遇水膨胀。Boyden的组织在膨胀之后，向各方向增大了约4.5倍。

只需要加水

科学家们先将组织透明化，加入能将特定蛋白锚定在丙烯酸盐上的荧光分子，然后把丙烯酸盐注入组织。丙烯酸盐遇水膨胀之后，荧光标记分子彼此被拉远，之前用可见光显微镜难以分辨的蛋白也变得清晰。Boyden展示，这个技术可以分辨膨胀前相距60nm的分子。

值得注意的是，这一技术能够很大程度上保留蛋白的相对定向和连接，保持其它细胞结构的完整。据估算，蛋白相对位置只被扭曲了1-4%。

膨胀显微技术能够很好的与其它超高分辨率技术结合，Boyden介绍道。研究人员用这一技术膨胀了小鼠的大脑组织，在神经突触的相对末端测量了两个蛋白的距离。他们的测量结果几乎和超高分辨率技术得出的结果一样。

不过，膨胀显微技术在复杂组织中进行三维成像的效果可能更好，Boyden说。他在会议上展示了0.5mm小鼠大脑海马体的图像，揭示了相邻神经元之间的连接。放大这张图甚至可以看到微小的突触结构，释放神经递质的bouton结构。Boyden的团队用膨胀显微技术研究了果蝇和斑马鱼的大脑，其合作团队还将这一技术用于人类大脑。

不断突破极限

这是科学家们通过处理生物学组织突破硬件极限的又一范例，加州理工的神经学科学家Viviana Gradinaru说。2013年，Gradinaru与光遗传学之父Karl Deisseroth开发了一个清除脂肪和其它分子的透明化方法。该方法可以使完整的大脑组织变透明，允许光学显微镜成像厚切片。去年，Gradinaru团队将这一技术成功用于完整器官和整只小鼠。（相关报道：Cell新突破：全身透明的小鼠）

去年诺贝尔化学奖得主之一，马普生物物理化学所的Stefan Hell认为，膨胀显微技术很有意思值得进一步开发。德国Rostock大学的科学家们在上世纪九十年代曾提出过类似的想法，“看来Boyden他们找到了真正起作用的方法，”Hell说。

 

生物通编辑：叶予

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