麻省理工学院的研究人员通过物理放大标本本身，发明了一种将大脑和其他组织的纳米级结构可视化的新方法。

 

自16世纪晚期第一台显微镜发明以来，科学家们一直试图用越来越大的放大率来窥视保存完好的细胞和组织。最新一代所谓的“超分辨率”显微镜可以以高于250纳米的分辨率观察细胞内部。

 

麻省理工学院(MIT)的一组研究人员现在采用了一种新方法来获得如此高分辨率的图像:他们没有让他们的显微镜功能更强大，而是发现了一种方法，通过将组织样本嵌入一种聚合物中，这种聚合物在加水时会膨胀，从而放大组织样本。这使得标本可以被物理放大，然后以更高的分辨率成像。

 

研究人员说，这项技术使用的是廉价的、商业上可获得的化学物质和研究实验室中常见的显微镜，应该会让更多的科学家获得超分辨率成像。天富平台

 

“你可以用普通的显微镜来拍摄图像，而不用购买新的显微镜来拍摄纳米级分辨率的图像。你可以物理地让样本变大，而不是试图放大样本发出的光线，”麻省理工学院生物工程、大脑和认知科学副教授Ed Boyden说。

Boyden是1月15日《科学》在线版上一篇描述这种新方法的论文的资深作者。这篇论文的主要作者是研究生陈飞和保罗·蒂尔伯格。天富平台

 

 

大多数显微镜的工作原理是使用透镜将样品发出的光聚焦成放大的图像。然而，这种方法有一个基本的极限，即衍射极限，这意味着它不能用于可视化远小于所使用的光的波长的物体。例如，如果你使用波长为500纳米的蓝绿光，你看不到任何小于250纳米的东西。

 

“不幸的是，在生物学中，这正是事情变得有趣的地方，”博伊登说，他是麻省理工学院媒体实验室和麦戈文大脑研究所的成员。蛋白质复合物、运送有效载荷进出细胞的分子以及其他细胞活动都是在纳米尺度上组织起来的。

 

博伊登说，科学家们已经想出了一些“非常聪明的技巧”来克服这一限制。然而，这些超分辨率技术在小而薄的样本中工作得最好，而在大样本中成像需要很长时间。他说:“如果你想绘制大脑图谱，或者了解癌细胞在转移性肿瘤中是如何组织的，或者免疫细胞在自身免疫攻击中是如何配置的，你必须以纳米级的精度观察一大块组织。”

 

为了实现这一目标，麻省理工学院的研究小组将注意力集中在样品上，而不是显微镜上。他们的想法是将样本嵌入一种由聚丙烯酸酯制成的可膨胀聚合物凝胶中，从而使它们更容易在高分辨率下成像。聚丙烯酸酯是一种非常吸水的材料，常见于尿布中。

 

在扩大组织之前，研究人员首先标记他们想要检测的细胞成分或蛋白质，使用一种与选定目标结合的抗体。这种抗体与荧光染料结合，以及一种化学锚，可以将染料附着在聚丙烯酸酯链上。

 

一旦组织被标记，研究人员将前体加入聚丙烯酸酯凝胶中并加热形成凝胶。然后，它们消化将标本粘合在一起的蛋白质，使其均匀膨胀。然后将试样在无盐水中洗涤，使其体积膨胀100倍。即使蛋白质已经被分解，每个荧光标记的原始位置相对于组织的整体结构是不变的，因为它被固定在聚丙烯酸酯凝胶上。

 

“剩下的是原始材料的三维荧光模型。而且石膏本身是肿胀的，不受原有生物结构的阻碍，”蒂尔伯格说。

 

麻省理工学院的研究小组用商用共聚焦显微镜对这种“铸型”进行了成像，这种显微镜通常用于荧光成像，但分辨率通常只有几百纳米。通过放大样本，研究人员将分辨率降低到了70纳米。“扩展显微镜的过程……应该与实验室中许多现有的显微镜设计和系统兼容，”Chen补充说。

 

大型组织样本

 

利用这项技术，麻省理工学院的研究小组能够用标准共聚焦显微镜对500 × 200 × 100微米的脑组织切片进行成像。用其他超分辨率技术对如此大的样本进行成像是不可行的，这些技术需要几分钟才能对1微米厚的组织切片进行成像，而且由于光学散射和其他像差，它们对大样本进行成像的能力有限。