与使用精密光学设备获取高分辨率图像的其他显微镜模式不同，膨胀显微镜在物理上放大了生物标本，从而可以使用传统显微镜进行纳米级图像采集。该技术基于遇水膨胀并结合生物分子以均匀膨胀组织样本的水凝胶聚合物。然而，当前扩展显微镜协议的缺点之一是样品制备是一个多步骤过程，涉及使用锚定化学品进行预处理，将不同的标签和生物分子连接到凝胶上。

在2023年1月2日发表在《自然生物技术》杂志上的一篇论文中，“Magnify是一种用于扩展显微镜的通用分子锚定策略”，来自卡内基梅隆大学、匹兹堡大学和布朗大学的一组科学家报告了一种名为“Magnify'使用了一种新型的、机械坚固的水凝胶，它可以容纳不同类别的生物分子，例如核酸、蛋白质和脂质，而无需额外的步骤将这些分子固定在凝胶上。

这项新技术提高了膨胀显微镜的便利性和适用性，并有利于依赖视觉数据的各种生物医学研究。

“Magnify可以成为生物技术界一种有效且易于使用的工具，”卡内基梅隆大学生物科学副教授、该研究的资深作者Yongxin(Leon)Zhao博士说。“我们克服了扩展显微镜的一些长期挑战。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。”

博士后研究员AleksandraKlimas博士和研究生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。这种方法广泛适用于多种类型的样品制备，并且可以使用生物实验室中的标准显微镜进行观察。”

扩展问题

Magnify的新型水凝胶配方由Zhao的实验室发明，可将生物样本放大11倍，从而能够对各种细胞和组织进行成像。新的水凝胶比它的前身更坚固，前身非常脆弱，在成像过程中会导致破裂。

早期用于扩大细胞以扩大显微镜的方法使用酶来消化蛋白质(蛋白酶)。因此，标记的凝胶基本上是先前被蛋白质占据的位置的替代物。这种新方法不仅可以保持蛋白质和其他生物分子的完整性，还可以检测同一样品中不同类型的生物分子，包括蛋白质、脂质、碳水化合物和核酸。

“我们试图牢记的一个关键概念是在研究人员所在的地方与他们会面，并让他们尽可能少地改变协议中的内容，”Gallagher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。您不一定需要完全考虑Magnify来重新设计实验。它将与你已有的一起工作。”

分辨率和多功能性

传统光学显微镜或“光学显微镜”(使用可见光和透镜系统放大样品图像)区分样品中两点(分辨率)的能力受到光照射到物体时的自然散射的限制(衍射)。这将光学显微镜的分辨率限制在0.2微米(200纳米)左右。

当与传统光学显微镜上的衍射极限物镜一起使用时，Magnify可提供约25纳米的更高分辨率，而当与超分辨率光学涨落成像相结合时，新技术可提供近15纳米的分辨率。

广泛的应用

该研究的合著者、匹兹堡大学生物成像中心和匹兹堡癌症研究所的创始人兼主任SimonWatkins博士说，“假设你的组织具有致密和非致密成分，这得到以前不会等长扩张的组织周围。Leon一直在努力使该协议适用于已存档的组织。”

作者证明Magnify可用于以纳米级分辨率可视化广泛的组织类型，包括小鼠大脑突触中的蛋白质、福尔马林固定和石蜡包埋人体组织肾细胞中的足细胞或足突，以及单个纤毛器人肺类器官。

卡内基梅隆大学生物医学工程助理教授Xi(Charlie)Ren博士与Zhao的实验室合作，开发了具有纤毛结构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。“借助最新的放大技术，我们可以扩大肺组织并开始看到运动纤毛的一些超微结构，即使使用普通显微镜也是如此。这将加快基础和临床研究，”任说。

使用MAGNIFY以40倍放大拍摄之前(a,f)和之后(b,g)的图像示例[卡内基梅隆大学]

未来的步骤

合著者、卡内基梅隆大学生命科学教授AlisonBarth博士说，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，”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”

赵和他的合作者团队希望进一步开发Magnify技术，以增加其在基础和应用研究人员中的可及性。