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科学家巧用婴儿尿布材料,大幅提高光学显微镜分辨率

2015/01/13 来源:生物探索
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导读
近日,在MIT的会议上,科学家们报告了一种叫expansion microscopy新的技术。这项技术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,从而有效解决了光学显微镜的不能区分距离小于200纳米的物体的难题。


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。”

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