卡内基梅隆大学、匹兹堡大学及布朗大学的研究人员组成的合作组提出了一种显微镜技术，以及一套能够克服膨胀显微成像技术瓶颈的方案。研究人员们发明了一种名为“Magnify”的膨胀显微成像技术，这种显微成像方法使用了一种能够保留多种生物分子的水凝胶，从而将膨胀显微镜的应用拓宽到了多种组织中，能够将生物组织溶胀至11倍，即原体积的1300倍左右。

在膨胀显微成像过程中，样品在可膨胀的水凝胶中均匀膨胀，分子之间的距离增加，因此能够以更高的分辨率对分子进行观察。以前只能借助昂贵的高分辨率成像技术才能观察到的纳米级生物结构，现在只需用标准显微镜工具就可以观察到。

此外，研究人员在文章中写道，“此前的膨胀显微成像技术需要事先用锚定化学物质进行处理，以将特定的标记物和生物分子链接到凝胶上。”

该团队在开发Magnify膨胀显微成像法的同时，发明了一种结构稳定的凝胶，能够保留核酸、蛋白质和脂质，无需单独的锚定步骤。

图1 使用Magnify 膨胀显微技术成像的组织样本

卡内基梅隆大学生物科学学院Eberly Family Career Development副教授Yongxin (Leon) Zhao说：“我们成功克服了膨胀显微镜长期以来存在的一些问题。Magnify的主要卖点之一是保留了膨胀后样本中的蛋白质、核酸和碳水化合物等组织生物分子。”

Zhao说，保持不同的生物成分完好无损非常重要。此前的膨胀显微成像方案必须要去除许多将组织连接在一起的生物分子，尽管这些分子中可能含有有价值的信息。

他说：“过去为了使细胞真正可膨胀，需要用到酶来消化蛋白质，最后得到的是一个含有标定蛋白质位置信息的标记物的空凝胶。”

使用Magnify方法，不但能够保持分子完整，并且可在单个样品中标记多种类型的生物分子。

“以往的膨胀方法就像是单项选择：标记蛋白质的是版本一，标记原子核的则是一个不同的版本，”Zhao说。“对这些版本同时进行成像几乎是不可能的。如今借助Magnify技术，不仅可以选择多个物体进行标记，比如蛋白质、脂类和碳水化合物等，还能同时对这些标本成像。”

本文共同第一作者、博士后研究员Aleksandra Klimas说，除了其高分辨率成像特性外，新方法由于其广泛的适用性而具有巨大优势。“此前的方法需要昂贵的设备、特定的试剂和专门的培训，而新方法广泛适用于许多类型的样品制备，并且可以直接使用生物实验室中的标准显微镜观察。”

此项研究的另一位共同第一作者、博士生Brendan Gallagher说，团队致力使新膨胀成像方法中的技术尽可能适用于那些可能从这些技术中受益的研究者。因此，Gallagher说，Magnify适用于不同的组织类型、固定方法和已保存或储存中的组织。

这种成像方法旨在为神经科学、病理学以及其他生物医学领域的人员提供一种研究框架。研究人员称，凝胶单体尺寸小，扩散速度快，这意味着Magnify有望适用于厚组织甚至整个生物体。他们在论文中写道：“Magnify有望用于采集纳米分辨率的全器官数据集，而目前这些数据的采集尚依赖于低分辨率的组织清除技术。”

此外，研究人员说，由于Magnify是一种无需复杂光学的化学方法，这一技术能够用于一系列成像模态，凝胶化学，以及其他之前已经证明与已有超分辨率技术兼容的膨胀显微镜技术中。

此项研究发表于Nature Biotechnology (www.doi.org/10.1038/s41587-022-01546-1)。