科学家开发细胞“膨胀术”让普通显微镜分辨率堪比电镜

在生物学研究中，科学家就像拿着放大镜探索未知世界的孩子，而显微成像技术就是他们最重要的“观察工具”。自 17 世纪列文虎克发明显微镜以来，可视化观察始终是生命科学研究的基石。

麻省理工学院麦戈文大脑研究所 Edward Boyden 教授实验室的科研人员一直致力于提升生物成像技术，以便更清晰地揭示微观世界中的生命现象。

他们通过引入两种全新方法进一步增强了“扩张显微技术”（也称为膨胀显微成像技术，是该团队在 2015 年开发的一种高分辨率成像技术）的功能。这些技术改进让研究人员能够使用普通的光学显微镜来观察细胞和组织时获取更加丰富、有价值的信息。

“我们致力于全面了解生命的每一个细节，通过不断进行技术优化，目标是捕捉所有生命瞬间，尤其是那些最基本的构成要素。”麻省理工学院神经科学教授 Boyden 表示，他同时也是霍华德休斯医学研究所的研究员。

通过对样品染色及图像处理的创新方法，“扩张显微技术”能够展示出细胞形状的生动轮廓，还能精准定位单个组织样品中多种不同蛋白质的位置。这种方法的分辨率远超传统光学显微镜，为研究提供了新的视角。比如追踪神经元的纤细突起，或是探索与健康和疾病相关的分子空间关系。

从技术角度看，扩张显微的工作机制其实是利用吸水性水凝胶使生物组织物理膨胀。具体来说，先用水凝胶渗透组织样本，然后通过吸收水分让其逐渐膨胀，从而将细胞成分分离但保持它们在组织内的相对位置不变。

这样一来，在光学显微镜下观察膨胀后的组织时，原本密集难辨的细胞结构变得一目了然。更重要的是，这种技术只需要常规实验室设备即可实现，大大降低了超分辨率成像的门槛，使得更多的研究团队能够运用这一先进技术。

细胞膜可视化

自从首次开发这种膨胀显微成像技术以来，Boyden 和团队就不断优化这项技术，比如提高分辨率，简化操作流程，以及添加新的功能并将其与其他工具整合，以更好地服务于科学研究。

近期，他们取得了一项新突破，开发出一种名为“超微结构膜膨胀显微成像技术（umExM）”，目前，这项研究成果已经发表在Nature Communications上。

借助 umExM 技术，生物学家能够运用扩张显微镜观察形成细胞边界、包裹细胞器的薄膜。这些薄膜主要由脂质分子构成，在完整组织中难以密集标记，从而限制了它们在光学显微镜下的应用，如今科学家们通过 umExM 可以深入研究组织内的细胞超微结构，揭示更多细节。

Tay Shin 是 umExM 技术的主要开发者之一，他曾是 Boyden 实验室的研究生，现任职于麻省理工学院 Tan-Yang 自闭症研究中心。“最初我们的目标很简单，就像电子显微镜使用四氧化锇标记膜来观察组织中的膜那样，我们也想对完整组织中的膜进行标记。但实际操作起来，难度远超预期。”他回忆道。

在该项研究中，他们首先设计了一种能够在光学显微镜下使组织样本中的膜可见的标记物。“我们几乎是从零开始。”Shin 说，“我们必须深入思考标记质膜的探针应具备的基本特性，再考虑如何将其融入扩张显微技术中。”

这意味着要设计一种既能与构成膜的脂质相结合，又能连接到用于膨胀组织样本的水凝胶和荧光分子上的分子，以便增强可见性。

经过对用于膜可视化的扩张显微镜方案的优化，以及对潜在探针的大量测试和改进，Shin 最终取得了成功：当他把经过膨胀处理的组织样本放在显微镜下时，清晰地看到了细胞的轮廓。

凭借扩张显微技术带来的高分辨率，umExM 技术让 Boyden 团队能够识别神经元突起的微小树突，并清晰观察到细长轴突的延伸。

研究人员认为，这种高清晰度有助于在大脑错综复杂的神经网络中追踪单个神经元的路径。

在 Boyden 看来，追踪这些神经过程是“我们这个时代脑科学研究的一项首要任务”。

以往，这类追踪工作主要依赖电子显微镜，但电子显微镜不仅对操作人员的专业技能要求高，设备成本也十分昂贵。“扩张显微镜使用的是标准光学显微镜，全球各地的实验室更容易获取。”Shin 指出，

Shin 和 Boyden 还提到，当通过扩张显微镜将揭示脂质膜的新功能与显示特定蛋白质位置的荧光标记相结合时，能让研究人员对样品有更加深入的了解。

“蛋白质承担着细胞内的众多重要功能，了解它们在细胞结构中的位置至关重要。通过这种方式，不仅可以更全面地了解细胞内部的工作机制，还能为未来的研究提供更多的可能性。”Boyden 解释说。

一个样品可分析多种蛋白质

如今，研究人员使用扩张显微技术时无需再局限于观察几种蛋白质。通过一种名为“多重扩张现显示技术（multiExR）”的新方法，他们能够在单个样品中标记并观察 20 多种不同的蛋白质。

除此之外，这种新方法使得生物学家能够可视化蛋白质集合，观察它们如何相互组织，进而对蛋白质间的相互作用提出新的假设。

这种新方法的关键在于，能够将荧光标记的抗体与膨胀后的组织样本中的特定蛋白质进行重复连接。换句话说，完成一轮成像后，研究人员会剥离这些抗体，然后使用一组新的抗体来揭示另一组新的蛋白质。

麻省理工学院博士后 Jinyoung Kang 对这一过程的每一步都进行了精细调整，确保组织样本保持完整，并且标记的蛋白质在每一轮成像中都能产生清晰明亮的信号。

在捕捉了单个样品的大量图像后，Boyden 团队又遇到了新挑战：如何保证这些图像精准对齐，以便相互叠加生成最终图像，精确呈现所有标记和可视化蛋白质的位置。

尽管扩张显微技术让研究人员观察到细胞的细微特征，但在多轮成像中反复找到相同特征并非易事。Boyden 实验室的研究生 Margaret Schroeder 解释道：“显微镜的视场非常小，在凝胶中寻找这个微小视场时，一旦样品膨胀实际视场会变得很大。”针对这个问题，Schroeder 与 Kang 共同主导了 multiExR 技术的开发。

为了每次都能定位到正确位置，团队决定标记穿过每个组织样本的血管，并将其用作引导。同时，为了实现精确对齐，他们还标记了几种结构蛋白作为参考点。

借助这些参考点和定制的图像处理软件，团队成功将样品的所有图像整合为一张，清晰展示出单独可视化的蛋白质的排列方式。

该团队运用 multiExR 技术观察了阿尔茨海默病患者大脑中的淀粉样蛋白斑块（一种异常蛋白质簇）。“我们可以深入观察这些淀粉样蛋白斑块内部，探究其中的成分。由于能够对多种不同蛋白质进行染色，我们得以进行高通量探索。” Boyden 表示。

在一次实验中，团队在图像中选择观察 23 种不同的蛋白质，结果有了意外发现：观察到某些神经递质受体的存在。Boyden 惊叹道：“这是神经科学领域最知名的受体之一，它竟隐藏在神经科学中最具代表性的病理学分子标志“淀粉样蛋白斑块”内部。”

目前，尚不清楚该受体在阿尔茨海默病中扮演何种角色，但这一发现已经充分表明，更深入观察细胞内部的能力能够揭示生物学中意想不到的现象，为后续研究提供新的途径。

https://news.mit.edu/2025/seeing-more-expansion-microscopy-0303