中国青年学者一作，水凝胶，最新Nature大子刊！

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-10-14 07:50

正文

基于高分子水凝胶构建纳米级扩张显微镜技术

扩张显微镜技术（Expansion Microscopy, ExM）自2015年首次被提出以来，已经在生物医学成像领域引起了巨大的兴趣和影响。ExM技术的核心在于通过物理方法放大细胞和组织样本，使得在传统的光学显微镜下也能实现纳米级别的分辨率。这一技术的发展背景与生物医学研究的需求紧密相关，特别是在细胞生物学、神经科学、病理学等领域，对于观察细胞内部结构和分子分布的精确性要求越来越高。

随着生物医学成像技术的发展，传统的光学显微镜已经无法满足对于纳米级别分辨率的需求。为了突破这一限制，科学家们开发了多种超分辨率成像技术，如STORM、PALM、SIM和MINFLUX等。然而，这些技术通常需要复杂的光学系统和专业的操作技能，而且往往成本较高。相比之下，ExM技术以其简单、成本效益高和易于操作的特点，为生物医学研究者提供了一种新的工具。

20ExM技术的发展，是在这一背景下的一个重大突破。它不仅提高了扩张比例，达到了约20倍的线性扩张，而且在单次扩张步骤中就实现了这一目标，大大简化了实验流程。这一技术的发展，得益于对高分子水凝胶材料的创新和优化，以及对扩张过程中氧气控制的改进。通过在无氧环境中进行聚合反应，提高了水凝胶的均匀性和扩张因子的可重复性。

随着人工智能和自动化技术的发展，ExM技术的应用也在不断拓展。例如，结合人工智能算法，可以对ExM产生的大量图像数据进行快速分析和处理，提高成像的效率和准确性。同时，自动化的实验系统可以进行更大规模的样本制备和成像，加速生物医学研究的进程。

麻省理工学院Edward S. Boyden和Laura L. Kiessling等人在《Nature Methods》上以“Single-shot 20-fold expansion microscopy”为题介绍了一种创新的20ExM技术。这项技术能够在单次扩张步骤中实现约20倍的扩张比例，从而在传统显微镜上达到纳米级别的分辨率。在本文中研究团队通过优化水凝胶的配方和聚合过程，实现了这一技术突破。他们使用了一种由N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）和丙烯酸钠（SA）组成的超级吸水性水凝胶，这种水凝胶能够自发形成交叉链接，并且具有强大的机械性能。为了进一步提高凝胶的稳定性和可重复性，研究人员在聚合前通过氮气吹扫去除了聚合溶液中的氧气，以防止干扰交联的副反应。

【主要内容】

图1 20ExM技术的工作流程

首先，细胞或组织样本经过处理，以便将凝胶锚定组附着到蛋白质上。接着，样本被渗透进单体溶液，并孵化形成超级吸水的聚丙烯酸酯水凝胶。在化学软化并使蛋白质变性后，样本被洗涤以部分扩张。最后，通过在水里浸泡，样本得到完全扩张，并通过抗体染色进行标记。此外，图中还强调了在凝胶化过程中对氧气控制的重要性，以及如何通过在充满氮气的手套袋中进行凝胶化来提高凝胶的可重复性和扩张因子。

图2 20ExM技术的纳米级分辨率能力

研究人员通过对细胞培养中的微管进行染色，并在扩张后进行成像，来比较20ExM与迭代扩张显微镜（iExM）的性能。图像显示了微管的空心结构，这是分辨率测试的标准基准。通过20ExM技术，观察到的微管结构与iExM研究中的结果相似，且侧壁峰值间距的平均测量结果也与iExM相近。此外，研究人员还使用了块状傅里叶环相关（FRC）分辨率分析，这是一种通过评估在相同成像条件下捕获相同区域的两幅图像之间的归一化交叉相关直方图来测量图像分辨率的方法。FRC分析显示，20ExM的有效分辨率与迭代扩张协议相当，且对图像中的噪声水平具有鲁棒性。

图3 20ExM技术在解析小鼠大脑中突触纳米架构的应用

研究者们使用了20ExM技术对小鼠体感皮层的脑片进行了处理和成像，揭示了突触前和突触后蛋白RIM1/2和PSD95的精确排列。图像显示了在体感皮层的第二层和第三层中，RIM1/2和PSD95的分布情况，其中RIM1/2和PSD95的标记显示了它们在突触结构中的纳米级对齐。通过三维自相关分析和蛋白富集分析，研究者们能够量化这些蛋白分布的异质性，以及它们在纳米尺度上的精确对齐。这些结果与之前使用迭代扩张显微镜（ExR）得到的结果一致，证实了20ExM技术在解析大脑组织中的纳米结构方面的有效性和准确性。

【全文总结】

本文介绍了一种新型的单次扩张显微镜技术——20ExM，它能够实现约20倍的线性扩张，提供纳米级别的分辨率，从而在传统光学显微镜下观察到细胞和组织的精细结构。研究团队利用20ExM技术成功揭示了细胞内微管的空心结构、突触纳米架构以及核孔复合体的细节，展示了其在多种生物医学研究领域的应用潜力。20ExM技术的开发，不仅简化了成像流程，还提高了成像质量，使得研究人员能够在不需要复杂设备的情况下，对细胞和组织的超微结构进行深入研究。此外，该技术还支持后扩张染色，进一步提高了生物分子标记的精确度和成像的对比度。通过与传统的迭代扩张显微镜技术相比较，20ExM展现出了相当的分辨率和更低的纳米级误差，证明了其在单步扩张中即可达到高性能的成像效果。

来源：BioMed科技

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