科學家巧用嬰兒尿布材料大幅提高光學顯微鏡分辨率

發布時間：2015-01-13 13:29 原文鏈接：科學家巧用嬰兒尿布材料大幅提高光學顯微鏡分辨率

Edward Boyden

　　我們都知道，顯微鏡能夠放大活細胞和組織，但是你想過用它觀察更微小的細節么？這聽起來特別像一個看過多次《愛麗絲夢游仙境》的科學家的幻想。但是，生物學家們以這個概念為基礎發明來一種新的技術，利用普通的顯微鏡對整個大腦進行成像，展示出了精致的分子細節。

　　這項技術叫做expansion microscopy，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。劍橋麻省理工學院（MIT）的神經學工程師（neuroengineer）Edward Boyden在上個月舉行的一場會議中與他MIT的同事Fei Chen 和 Paul Tillberg報告了該技術。

　　Expansion microscopy：超分辨率顯微鏡的轉折

　　Expansion microscopy是超分辨率顯微鏡的一個轉折。2014年，美國科學家埃里克?白茲格(Eric Betzig)，德國科學家斯特凡?W?赫爾(Stefan W. Hell)，美國科學家威廉姆?艾斯科?莫爾納爾(William E. Moerner)因超分辨率熒光顯微技術獲得了諾貝爾化學獎。這兩種技術都在試圖繞過物理定律帶來的限制。

　　1873年，德國物理學家Ernst Abbe推斷，傳統的光學顯微鏡不能區分距離小于200納米的物體，這大約是可見光最短波長的一半。距離小于這個衍射極限的話，物體會變得模糊。光學顯微鏡的最大分辨率只能達到橫向200納米，縱向600納米。

　　超高分辨顯微鏡通過使用熒光分子綁定蛋白，更好的定位分子的發光來源，從而克服了Abbe指出的限制。利用這種技術，科學家可以區別出距離近達20納米的物體。不過這項技術需要昂貴的、專業的設備，但可以解決一些厚結構的研究難題，比如大腦或腫瘤。

　　神經科學家們一直想收集大腦更多的分子細節，比如神經突觸中蛋白的位置、兩個神經傳遞信息處的連接、甚至環繞大腦的一組神經元。

　　在NIH的會議中，Boyden說：“我們一直想做的就是找出讓物體變得更大的方法。”為了實現這個目標，他的團隊用了一種叫做acrylate的化合物，該物質含有兩種特性：第一，它可以形成密集的網狀結構將蛋白質固定住；第二，它在水存在的情況下會膨脹。

　　加點水，讓一切變得神奇

　　首先，組織需要經過一組化學混合物處理，使它變得透明；然后，用熒光分子綁定特定蛋白；最后將acrylate注入組織中。就像嬰兒尿布一樣，加水會使acrylate聚合物膨脹。經過拉伸，熒光標記的分子之間的距離越來越遠。之前因為太近無法區別的蛋白在光學顯微鏡中有了新的焦點。在Boyden 的展示中，該技術可以解決膨脹前分子距離近達60納米的難題。

　　最重要的一點是，膨脹的過程很大程度上維持了蛋白之間的相對方向和連接，保持其它細胞結構的完整。該技術使蛋白相對位置的失真程度為1-4%。Expansion microscopy與其它超高分辨技術相比表現了良好的性能。

　　在一項試驗中，研究人員用Expansion microscopy測定膨脹的小鼠大腦神經突觸兩端的蛋白質之間的距離，結果與用超高分辨技術測量的數據幾乎相同。

　　此外，Expansion microscopy在復雜組織的三維成像上表現的更好。在會議中，Boyden展示了一個半毫米厚度的小鼠大腦海馬區的圖像，揭示了鄰近神經元之間的連接。放大圖像還能看到突觸結構的細節，叫做boutons，是釋放神經遞質的地方。Boyden的團隊用Expansion microscopy還研究了果蠅和斑馬魚的大腦，目前正在用研究人類的大腦。

　　技術總是在不斷的超越

　　加州理工學院的神經學家Viviana Gradinaru說，Boyden的這項技術是科學家如何通過改變生物組織繞過固有限制的好例子。2013年，Gradinaru與斯坦福大學的 Karl Deisseroth領導的團隊報告了一種去除脂肪，從而讓小鼠完整大腦透明化的方法。這種方法讓厚的組織在光學顯微鏡下得以成像。去年，Gradinaru的團隊將這項技術運用到了其它器官和整只老鼠中。

　　悉尼大學顯微鏡專家Guy Cox說：“Expansion microscopy確實非常巧妙，但是它的實際用途有多大還不清楚。如果它要用在很關鍵的地方，我推測它會與超高分辨技術結合起來。它的著重點應該是分子研究，而不是整個細胞。”