科学家巧用婴儿尿布材料大幅提高光学显微镜分辨率

Edward Boyden

　　我们都知道，显微镜能够放大活细胞和组织，但是你想过用它观察更微小的细节么？这听起来特别像一个看过多次《爱丽丝梦游仙境》的科学家的幻想。但是，生物学家们以这个概念为基础发明来一种新的技术，利用普通的显微镜对整个大脑进行成像，展示出了精致的分子细节。

　　这项技术叫做expansion microscopy，使用一种通常在婴儿尿布中可以找到的材料使生物组织膨胀。剑桥麻省理工学院（MIT）的神经学工程师（neuroengineer）Edward Boyden在上个月举行的一场会议中与他MIT的同事Fei Chen 和 Paul Tillberg报告了该技术。

　　Expansion microscopy：超分辨率显微镜的转折

　　Expansion microscopy是超分辨率显微镜的一个转折。2014年，美国科学家埃里克•白兹格(Eric Betzig)，德国科学家斯特凡•W•赫尔(Stefan W. Hell)，美国科学家威廉姆•艾斯科•莫尔纳尔(William E. Moerner)因超分辨率荧光显微技术获得了诺贝尔化学奖。这两种技术都在试图绕过物理定律带来的限制。

　　1873年，德国物理学家Ernst Abbe推断，传统的光学显微镜不能区分距离小于200纳米的物体，这大约是可见光最短波长的一半。距离小于这个衍射极限的话，物体会变得模糊。光学显微镜的最大分辨率只能达到横向200纳米，纵向600纳米。

　　超高分辨显微镜通过使用荧光分子绑定蛋白，更好的定位分子的发光来源，从而克服了Abbe指出的限制。利用这种技术，科学家可以区别出距离近达20纳米的物体。不过这项技术需要昂贵的、专业的设备，但可以解决一些厚结构的研究难题，比如大脑或肿瘤。

　　神经科学家们一直想收集大脑更多的分子细节，比如神经突触中蛋白的位置、两个神经传递信息处的连接、甚至环绕大脑的一组神经元。

　　在NIH的会议中，Boyden说：“我们一直想做的就是找出让物体变得更大的方法。”为了实现这个目标，他的团队用了一种叫做acrylate的化合物，该物质含有两种特性：第一，它可以形成密集的网状结构将蛋白质固定住；第二，它在水存在的情况下会膨胀。

　　加点水，让一切变得神奇

　　首先，组织需要经过一组化学混合物处理，使它变得透明；然后，用荧光分子绑定特定蛋白；最后将acrylate注入组织中。就像婴儿尿布一样，加水会使acrylate聚合物膨胀。经过拉伸，荧光标记的分子之间的距离越来越远。之前因为太近无法区别的蛋白在光学显微镜中有了新的焦点。在Boyden 的展示中，该技术可以解决膨胀前分子距离近达60纳米的难题。

　　最重要的一点是，膨胀的过程很大程度上维持了蛋白之间的相对方向和连接，保持其它细胞结构的完整。该技术使蛋白相对位置的失真程度为1-4%。Expansion microscopy与其它超高分辨技术相比表现了良好的性能。

　　在一项试验中，研究人员用Expansion microscopy测定膨胀的小鼠大脑神经突触两端的蛋白质之间的距离，结果与用超高分辨技术测量的数据几乎相同。

　　此外，Expansion microscopy在复杂组织的三维成像上表现的更好。在会议中，Boyden展示了一个半毫米厚度的小鼠大脑海马区的图像，揭示了邻近神经元之间的连接。放大图像还能看到突触结构的细节，叫做boutons，是释放神经递质的地方。Boyden的团队用Expansion microscopy还研究了果蝇和斑马鱼的大脑，目前正在用研究人类的大脑。

　　技术总是在不断的超越

　　加州理工学院的神经学家Viviana Gradinaru说，Boyden的这项技术是科学家如何通过改变生物组织绕过固有限制的好例子。2013年，Gradinaru与斯坦福大学的 Karl Deisseroth领导的团队报告了一种去除脂肪，从而让小鼠完整大脑透明化的方法。这种方法让厚的组织在光学显微镜下得以成像。去年，Gradinaru的团队将这项技术运用到了其它器官和整只老鼠中。

　　悉尼大学显微镜专家Guy Cox说：“Expansion microscopy确实非常巧妙，但是它的实际用途有多大还不清楚。如果它要用在很关键的地方，我推测它会与超高分辨技术结合起来。它的着重点应该是分子研究，而不是整个细胞。”