J Cell Biol｜施晓宇团队发布全景膨胀显微术（land-ExM）：细胞超微结构的“光学平替”

我们要理解细胞的运作，不仅需要知道 “ 细胞器在哪里 ” （定位），更需要看清 “ 细胞器在谁旁边 ” （空间关系）。长期以来，揭示细胞超微结构（ Ultrastructure ）的重任主要由电子显微镜（电镜 EM ）承担。电镜以超越纳米的分辨率全景式展现然相分离与膜性细胞器的空间位置。然儿，电镜设备昂贵，通量低，且多色特异性标记难度大，使很多生物实验室难以尝试 。

近日，加州大学欧文分校（ UC Irvine ） 施晓宇 团队 博士生庄茵茵等 在 Journal of Cell Biology 发表了题为 Landscape expansion microscopy reveals interactions between membrane and phase-separated organelles 的研究论文。该研究开发了一种名为全景膨胀显微术（land-ExM）的新技术。通过引入独特的三功能锚定剂（ trifunctional anchor ），land-ExM能够利用常规共聚焦显微镜，同时对细胞内的脂质膜和蛋白质进行高信噪比、超分辨率成像，实现了对细胞超微结构的“光学平替”，并揭示了核隧道（ Nuclear Tunnel ）中相分离的应激颗粒（ stress granule ）与膜性细胞器内质网（ER）的新互作模式。

在细胞生物学中，蛋白质并不是孤立存在的，它们往往与其周围的膜性结构（如细胞器膜）或无膜结构（如相分离凝集物）紧密协作。为了解析这些精细的相互作用，研究人员往往需要依赖 电子显微镜（ EM ）或光电联合成像（ CLEM ） 。但电镜的普及度低、通量有限，且缺乏光镜那样灵活的分子特异性标记能力 。

通过将生物样品物理放大，使得普通光镜也能通过 “ 把细胞撑大 ” 来看清纳米级细节，被视为电镜的有力挑战者。然而，现有的 ExM 技术往往面临 “ 鱼和熊掌不可兼得 ” 的困境：要么只能看清蛋白质，丢失了脂质膜信息；要么在保留脂质时，背景噪音过大或蛋白信号丢失。如何在一个样品中，同时、高保真、高对比度地成像 “ 膜 ” 与 “ 蛋白 ” ，是实现细胞 “ 全景成像 ” 的关键瓶颈 。

land- ExM 的核心突破在于施晓宇团队设计并应用了一种小分子的 三功能锚定剂（ Trifunctional Anchor ） 这个精巧的分子就像一个强力的 “ 分子抓手 ” ，将蛋白质，脂质膜探针， 以及免疫荧光抗体，一起共价键固定在可以膨胀的水凝胶上。这个方法一举解决了普通膨胀纤维技术（ ExM ）信号损失和信噪比低的问题。与传统的 ExM 蛋白标记方法（如 NHS-488 或 SYPRO Orange ）相比， land-ExM 的蛋白图像信噪比分别提高了 8 倍和 30 倍 。更重要的是，这种策略使得脂质双分子层和蛋白质结构能在同一张图上清晰呈现，真正实现了 “ 全景（ Landscape ） ” 成像 。

land- ExM 的核新技术具有极强的通用性。研究团队展示了该技术可以无缝整合到现有的高倍率膨胀体系中 ： land- TREx (7 倍膨胀 ) ： 结合 TREx 技术，进一步提升分辨率。 land- TREx 的蛋白通道信噪比提高了 5 倍，脂质通道提高了 2 倍 。 land-pan- ExM (12-20 倍膨胀 ) ： 结合 pan- ExM 技术，在极高放大倍率下， land- ExM 依然能显著提升蛋白和脂质的信号强度（分别提升 2 倍和 3 倍） 。 兼容免疫荧光： 在全景成像的基础上，研究者还可以叠加抗体染色，精确定位特定的细胞器或蛋白复合体 。

这意味着，实验室无需购买昂贵的电镜，利用现有的共聚焦显微镜和 land-ExM 试剂盒，就能以低廉的成本获得接近电镜级别的细胞超微结构图像 —— 这正是电镜的 “ 光学平替 ” 的最好注脚 。

为了展示 land- ExM 在解析复杂细胞器互作中的威力，研究团队将目光投向了细胞核内一种深陷的膜结构 —— 核隧道（ Nuclear Tunnel ） 。

利用 land-ExM 的三维全景成像能力，研究人员惊奇地发现，在氧化应激条件下， 应激颗粒（ Stress Granules ） 并不像教科书上常说的那样只待在细胞质中，而是会 “ 钻 ” 进核隧道里。更令人兴奋的是，这些位于核隧道内的应激颗粒，与细胞核内的 核仁（ Nucleolus ）发生了直接接触，形成了一个独特的 “ 应激颗粒 — 核隧道 — 核仁 ” 三重细胞器接触位点（ Triple-organellar contact site ） 。

统计显示， 细胞 在 应激 状态下， 83% 的核隧道中含有应激颗粒，其中又有 60% 直接与核仁接触。这一发现暗示核隧道可能充当了一个特殊的 “ 微环境 ” ，协助细胞在压力下协调 减慢 mRNA 的翻译 和蛋白质合成 。如果没有 land-ExM 提供的脂质（核隧道膜）与蛋白（应激颗粒与核仁）的双重高分辨率视野，这种被膜结构包裹的精细互作很难被传统手段捕捉 。

land- ExM 的出现虽然被称为细胞超微结构的 “ 光学平替 ” ，但它并非要（也无法）在所有维度上完全取代电子显微镜（ EM ）。作为一种新兴的光学手段，它与老牌的 EM 各有千秋 。 为了帮科研用户避坑，我们整理了以下 选型指南 ：

1. l and-ExM 好在哪？

• 多色特异性（分子身份识别）： 这是光镜的传统艺能。 EM 看到的往往是黑白的电子密度，难以分辨 “ 谁是谁 ” ；而 land-ExM 可以在保留超微结构的同时，通过抗体叠加多色荧光，精准定位分子在 3D 结构中的位置 。

• 便宜大碗（门槛低）： 相比动辄上千万的电镜设备及其 专业 维护 的需求 ， land-ExM 只需要常规的共聚焦显微镜甚至最普通的宽场荧光显微镜。对于没有专属电镜平台的实验室，这是实现超微观察的经济选择 。

• 3D 成像与高通量： 电镜要做三维重构（如 FIB-SEM ）非常耗时。 Land-ExM 结合层扫显微镜，可以更快速地获取完整的 3D 细胞全景，适合进行多细胞的统计学分析和项目前期探索 。

2. l and-ExM 差在哪？

• 极致分辨率的 “ 最后十纳米 ” ： 虽然 land- ExM 结合 TREx 或 pan- ExM 可以将分辨率推到 12-35nm 级别，但相比 EM （ <1-2nm ）仍有差距。例如，如果你需要看清 核膜的双层结构 ，目前的 Land-ExM 还做不到，依然需要 EM 来 “ 一锤定音 ” 。

• 化学固定的原罪： Land-ExM 目前主要依赖化学固定，相比冷冻电镜（ Cryo-EM ）的物理冷冻固定，在亚微米尺度上仍可能存在微小的结构畸变 。

施晓宇团队开发的 land- ExM 技术，通过巧妙的化学标记策略，攻克了膨胀显微术中脂质与蛋白难以兼顾的难题。它以 高信噪比、超高分辨率、低成本 的优势，为细胞生物学家提供了一种低门槛电镜级别成像工具。无论是解析膜性细胞器（如线粒体、高尔基体）的精细形态，还是探索相分离结构（如核仁、应激颗粒）的空间分布， land-ExM 都展现出了广阔的应用前景 。

正如论文所言， land-ExM 让 “ 看清细胞的分子全景 ” 变得触手可及，这将加速我们对细胞内复杂互作网络的理解 。

原文链接：https://doi.org/10.1083/jcb.202502035

制版人：十一

参考文献

1. Zhuang, Y., Zhang, Z., Dai, Z., & Shi, X. (2026). Landscape expansion microscopy reveals interactions between membrane and phase-separated organelles.Journal of Cell Biology,225(4), e202502035.

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