麻省理工学院（MIT）的研究人员开发了一种简单且经济的单步组织扩展技术，可以在常规光学显微镜下实现纳米级分辨率成像。这种技术被称为“20倍扩展显微技术”（20ExM），能够将组织扩展到原来的20倍，从而使研究人员在约20纳米的分辨率下观察细胞内的结构，如细胞器和蛋白质簇。
该技术的一个重大优势是，它使几乎任何生物实验室都能够进行纳米级成像，无需使用昂贵的超分辨率显微镜。正如MIT的Edward Boyden教授所指出的：“20倍扩展让我们进入了生物分子运行的领域，生命的构建模块如生物分子、基因及其产物都处于纳米尺度。”Boyden教授是麻省理工学院神经技术领域的Y. Eva Tan教授，同时也是生物工程、媒体艺术与科学、大脑与认知科学教授，并隶属于霍华德·休斯医学研究所。
该技术的另一位联合资深作者，麻省理工学院的化学教授Laura Kiessling博士补充道：“这项技术使得成像更加普及。以前，如果你想获得高分辨率的图像，必须使用非常昂贵的显微镜。而现在，使用这一新方法，你可以用普通显微镜看到原本无法观察到的纳米级结构。这大大降低了成像的成本。”
这一技术的研究成果已发表在《自然方法》期刊上，文章题为《单步20倍扩展显微技术实现常规显微镜下18纳米分辨率成像》。文章的第一作者是麻省理工学院的研究生王世伟和博士后研究员申泰源。
扩展显微技术（ExM）最初由Boyden实验室于2015年发明，最早版本可以将组织扩展至4倍左右的体积，成像分辨率约为70纳米。在2017年，研究人员通过加入第二次扩展步骤，使整体扩展倍数达到20倍，分辨率提升至20纳米。然而，这个过程较为复杂，需要多次扩展步骤。
在最新的研究中，研究团队旨在通过单一步骤实现20倍扩展。这要求找到一种既能吸水又具有极高机械稳定性的凝胶，避免在扩展时出现破裂。经过优化，他们采用了N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）和丙烯酸钠（SA）组成的凝胶，这种凝胶能够自发形成交联，并表现出良好的机械性能。
为了进一步提高凝胶的稳定性，研究人员还从聚合物溶液中去除了氧气，防止了不必要的副反应，从而确保凝胶形成稳定。这一技术使得研究人员能够在普通显微镜下观察到如神经元突触中的蛋白质簇、微管结构、线粒体以及核孔复合物等微小的细胞结构。
研究人员指出，这种方法虽然在样本准备上比其他超分辨率技术稍微复杂一些，但成像过程特别是三维成像则简单得多。王世伟正在利用这项技术对细胞表面的一类碳水化合物——糖链进行成像，这类分子有助于调控细胞与环境的相互作用。
该团队总结道：“20ExM凭借其高性能和简单性，预计将在生物学领域中得到广泛应用。我们希望任何生物实验室都能够借助这项技术，用现有的显微镜进行纳米级成像，而无需昂贵的专用设备。”
参考资料：https://www.nature.com/articles/s41592-024-02454-9
编辑：周敏
排版：李丽
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