新技术扩大了组织样本，使其更易于成像

麻省理工学院的科学家使用一种允许他们扩大大脑组织的新技术，在海马体中创建了这些神经元图像。

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

从1500年代后期发明第一台显微镜开始，科学家一直试图以更大的放大倍率窥视保存的细胞和组织。最新一代的所谓“超分辨率”显微镜可以看到分辨率高于250纳米的内部细胞。

麻省理工学院的一组研究人员现在已经采取了一种新颖的方法来获得这种高分辨率的图像：他们没有使显微镜变得更强大，反而发现了一种通过将组织样本嵌入到加水时会膨胀的聚合物中来扩大组织样本的方法。这样可以对标本进行物理放大，然后以更高的分辨率成像。

研究人员说，这项技术使用了研究实验室中常见的廉价，可商购的化学药品和显微镜，应该为更多的科学家提供超分辨率成像的途径。

“您无需购买新的显微镜来以纳米级分辨率拍摄图像，而是可以在常规显微镜上拍摄图像。麻省理工学院生物工程与脑与认知科学副教授埃德·博伊登（Ed Boyden）表示：“从物理上讲，您是在使样本变大，而不是试图放大样本发出的光线。”

博伊登（Boyden）是1月15日在线版《科学》（Science）上描述该新方法的论文的高级作者。该论文的主要作者是研究生Fei Chen和Paul Tillberg。

物理倍率

大多数显微镜通过使用透镜将样品发出的光聚焦成放大的图像来工作。但是，这种方法有一个称为衍射极限的基本限制，这意味着它不能用于可视化比所用光的波长小得多的物体。例如，如果您使用的是波长为500纳米的蓝绿色光，则看不到任何小于250纳米的东西。

麻省理工学院媒体实验室和麦戈文脑科学研究所的成员博伊登说：“不幸的是，在生物学上，事情变得有趣了。”蛋白质复合物，将有效载荷运入和运出细胞的分子以及其他细胞活动都以纳米级组织。

博伊登说，科学家们提出了一些“非常聪明的技巧”来克服这一局限性。但是，这些超分辨率技术最适合小而稀薄的样本，并且需要很长时间才能对大样本进行成像。他说：“如果要绘制大脑图，或了解癌细胞在转移性肿瘤中的组织方式，或在自身免疫攻击中如何免疫细胞，则必须以纳米级精度观察大块组织。”

为了实现这一目标，麻省理工学院的团队将注意力集中在样品上，而不是显微镜上。他们的想法是将标本包埋在由聚丙烯酸酯制成的可膨胀聚合物凝胶中，使标本更易于在高分辨率下成像，聚丙烯酸酯是尿布中常见的一种非常吸收性的材料。

在扩大组织之前，研究人员首先使用与所选靶标结合的抗体标记要检查的细胞成分或蛋白质。该抗体与荧光染料以及可将染料连接至聚丙烯酸酯链的化学锚连接。

一旦组织被标记，研究人员就将前体添加到聚丙烯酸酯凝胶中，并对其进行加热以形成凝胶。然后，他们消化将标本固定在一起的蛋白质，使其均匀膨胀。然后将样品在无盐水中洗涤，以使体积膨胀100倍。即使蛋白质已被分解，每个荧光标记的原始位置相对于组织的整体结构仍保持相同，因为它固定在聚丙烯酸酯凝胶上。

“剩下的就是原始材料的三维荧光铸模。而且演员本身也肿了，不受原始生物结构的阻碍。” Tillberg说。

麻省理工学院的团队使用市售的共聚焦显微镜对这种“铸件”进行了成像，该共聚焦显微镜通常用于荧光成像，但通常限于数百纳米的分辨率。通过扩大样本，研究人员实现了低至70纳米的分辨率。Chen补充说：“扩展…显微镜工艺应与实验室中已有的许多现有显微镜设计和系统兼容。”

大组织样本

使用这种技术，麻省理工学院的团队能够使用标准共聚焦显微镜对500 x 200 x 100微米的脑组织切片进行成像。使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仅1微米厚的组织切片进行成像，并且由于光学散射和其他像差，它们对大型样本成像的能力受到限制。

“令人兴奋的是，这种方法可以以与传统显微镜相同的速度在每个像素上采集数据，这与大多数其他打破显微镜衍射极限的方法相反，后者可以比每个像素慢1000倍，”乔治·丘奇（George Church）说。哈佛医学院遗传学教授，他不是研究团队的成员。

Tillberg说：“其他方法目前具有较好的分辨率，但较难使用或较慢。”“我们方法的好处是易于使用，更重要的是，与大批量产品的兼容性，这对现有技术构成了挑战。”

研究人员预想，这项技术对试图对脑细胞成像并绘制大区域之间的相互连接关系的科学家可能非常有用。

博伊登说：“有很多生物学问题需要理解一个大结构。”“特别是对于大脑，您必须能够对大量组织成像，而且还必须查看所有纳米级成分的位置。”

虽然博伊登（Bodenen）的团队专注于大脑，但该技术的其他可能应用包括研究肿瘤转移和血管生成（生长血管以滋养肿瘤），或观察自身免疫性疾病期间免疫细胞如何攻击特定器官。

该研究由美国国立卫生研究院，纽约干细胞基金会，杰里米和乔伊斯·韦特海默，国家科学基金会以及房利美和约翰·赫兹​​基金会资助。

出版物：陈飞，Paul W. Tillberg和Edward S. Boyden，“扩展显微镜”，《科学》，2015年； DOI：10.1126 / science.1260088

图像：陈菲和保罗·蒂尔伯格