新的扩展显微镜方法放大了研究的影响

由于膨胀显微镜的创新，现在可以前所未有地观察细胞内部和其他纳米级结构。这些进步可能有助于提供未来对神经科学、病理学和许多其他生物和医学领域的洞察力。

在1月2日发表在《自然生物技术》杂志上的论文“Magnifyisauniversalmolecularanchoringstrategyforexpansionmicroscopy”中”中，来自卡内基梅隆大学、匹兹堡大学和布朗大学的合作者描述了名为Magnify的新协议。

“Magnify可以成为生物技术界一种有效且易于使用的工具，”Eberly家庭职业发展副教授赵永新(Leon)说。

赵的生物光子学实验室是通过在称为扩展显微镜的过程中物理扩展样本来实现生物样本超分辨率成像领域的领导者。通过这个过程，样品被嵌入可膨胀的水凝胶中，水凝胶均匀膨胀以增加分子之间的距离，从而可以更高分辨率地观察它们。这使得以前只能使用昂贵的高分辨率成像技术才能看到的纳米级生物结构可以通过标准显微镜工具看到。

Magnify是膨胀显微镜的一种变体，它允许研究人员使用由Zhao团队发明的新水凝胶配方，该配方保留了一系列生物分子，为各种组织提供了更广泛的应用，并将膨胀率线性提高高达11倍或原始体积的~1,300倍。

一段视频显示了肾细胞。膨胀显微镜(ExM)提供了前所未有的细胞内部视图。新兴的超分辨率成像技术依赖于物理而非光学放大。CMU的ZhaoBiophotonics实验室的进步提高了膨胀率，并允许以3D方式查看多种类型的组织。图片来源：卡内基梅隆大学

“我们克服了扩展显微镜的一些长期挑战，”赵说。“Magnify的主要卖点之一是将组织的生物分子(包括蛋白质、细胞核片段和碳水化合物)保留在扩展样本中的通用策略。”

赵说，保持不同生物成分的完整性很重要，因为以前的方案需要消除许多将组织结合在一起的生物分子。但这些分子可能包含对研究人员有价值的信息。

“过去，要使细胞真正可扩展，需要使用酶来消化蛋白质，所以最后，你得到的是一个空凝胶，上面贴有标签，标明目标蛋白质的位置，”他说。使用新方法，分子保持完整，可以在单个样本中标记多种类型的生物分子。

“以前，这就像是单选题。如果你想标记蛋白质，那将是第一个版本。如果你想标记细胞核，那将是另一个版本，”赵说。“如果你想同时成像，那是很困难的。现在有了Magnify，你可以选择多个要标记的项目，例如蛋白质、脂质和碳水化合物，然后将它们一起成像。”

实验室研究人员、博士后研究员AleksandraKlimas和博士生BrendanGallagher是该论文的第一共同作者。

Klimas说：“这是一种以高分辨率对样本进行成像的简便方法。”“传统上，你需要昂贵的设备和特定的试剂和培训。然而，这种方法广泛适用于多种类型的样品制备，并且可以用生物实验室中的标准显微镜进行观察。”

拥有神经科学背景的Gallagher表示，他们的目标是使协议尽可能兼容那些可以从采用Magnify作为其工具包的一部分中受益的研究人员。

“我们试图牢记的一个关键概念是与研究人员会面，让他们尽可能少地改变他们的协议，”加拉格尔说。“它适用于不同的组织类型、固定方法，甚至是保存和储存的组织。它非常灵活，因为您不一定需要完全考虑使用Magnify重新设计实验;它可以与您已有的一起使用”

对于匹兹堡大学和匹兹堡癌症研究所生物成像中心的创始人兼主任SimonWatkins等研究人员来说，新协议与广泛的组织类型(包括保存的组织切片)兼容的事实是重要的。例如，大多数扩展显微镜方法都针对脑组织进行了优化。相比之下，Magnify在来自各种人体器官和相应肿瘤(包括乳腺、脑和结肠)的样本上进行了测试。

“假设你有一个具有致密和非致密成分的组织，这会绕过以前不会等长扩张的组织，”沃特金斯说。“Leon一直在努力使该协议适用于已存档的组织。”

卡内基梅隆大学生物医学工程助理教授Xi(Charlie)Ren研究肺组织以及如何模拟其形态发生和发病机制。他的部分研究涉及研究活动纤毛，该纤毛具有清除人体导气管中粘液的功能。直径为200纳米，长度只有几微米，如果没有电子显微镜等耗时技术，这些结构太小无法看到。Ren的团队与Zhao的实验室合作，开发并交付了在纤毛超微结构和功能方面具有特定缺陷的肺类器官模型，以验证Magnify可视化临床相关纤毛病理的能力。

“利用最新的Magnify技术，我们可以扩大这些肺组织，甚至可以使用常规显微镜观察活动纤毛的一些超微结构，这将加快基础和临床研究，”他说。

研究人员还能够观察到已知具有基因突变的患者特异性肺细胞的纤毛缺陷。

“肺组织工程界总是需要一种更好的方法来表征我们使用的组织系统，”Ren说。他补充说，这项工作是重要的第一步，他希望与赵实验室的合作能够进一步完善并应用于组织库中发现的病理样本。

最后，Zhao实验室开发的用于Magnify的水凝胶比它的前身更坚固，前身非常脆弱，在过程中会导致破裂。

“我们希望开发这项技术，让社区更容易使用它，”他说。“这可以有不同的方向。人们对将这种组织扩张技术用于基础科学很感兴趣。”

艾莉森·巴斯(AlisonBarth)是卡内基梅隆大学生命科学领域的MaxwellH.和GloriaC.Connan教授，研究学习过程中的突触连接。她说，新方法提供的广泛应用将为研究人员带来福音。

“大脑是利用这些超分辨率技术的好地方，”与赵实验室合作进行多项研究的巴特说。“显微镜方法将有利于跨不同大脑状况的突触表型分析和分析。

“本文的主要进步之一是该方法能够处理许多不同类型的组织标本。”