婴儿尿布材料提高显微镜分辨率

这项技术被称为膨胀显微镜，使用婴儿尿布中常见的一种材料来膨胀生物组织。剑桥麻省理工学院的神经学工程师爱德华·博伊登在上月举行的一次会议上，与他的麻省理工学院同事宸妃和保罗·蒂尔伯格报道了这项技术。

爱德华·博伊登

膨胀显微镜:超分辨率显微镜的转向

膨胀显微镜是超分辨率显微镜的一个转折点。2014年，美国科学家埃里克·白兹格、德国科学家斯特凡·W·赫尔和美国科学家威廉·莫尔纳因超分辨率荧光显微术获得诺贝尔化学奖。两种技术都试图绕过物理定律的限制。

1873年，德国物理学家恩斯特·阿贝得出结论，传统的光学显微镜无法分辨距离小于200纳米的物体，这大约是可见光最短波长的一半。如果距离小于这个衍射极限，物体将变得模糊。光学显微镜的最大分辨率在横向只能达到200纳米，在纵向只能达到600纳米。

超高分辨率显微镜通过将蛋白质与荧光分子结合，可以更好地定位分子的发光源，从而克服了阿贝指出的局限性。利用这项技术，科学家可以分辨距离近至20纳米的物体。然而，这项技术需要昂贵和专业的设备，但它可以解决一些厚结构的研究问题，如大脑或肿瘤。

神经科学家一直想收集更多大脑的分子细节，如突触中蛋白质的位置、传递信息的两条神经之间的联系，甚至是大脑周围的一组神经元。

在美国国立卫生研究院的会议上，博伊登说:“我们一直想做的是找到让物体变大的方法。”为了实现这个目标，他的团队使用了一种叫做丙烯酸酯的化合物，它有两个特性:第一，它可以形成一个致密的网络结构来固定蛋白质；第二，它在有水的情况下会膨胀。

加入一些水，让一切变得神奇。

首先，组织需要用一系列化学混合物进行处理，使其透明。然后，用荧光分子结合特定的蛋白质；最后，将丙烯酸酯注射到组织中。就像婴儿尿布一样，加水会使丙烯酸酯聚合物膨胀。拉伸后，荧光标记分子之间的距离变得越来越远。以前，靠得太近而无法分辨的蛋白质在光学显微镜下有了新的焦点。在博伊登的演示中，该技术可以解决膨胀前分子距离接近60纳米的问题。

最重要的一点是，扩增过程在很大程度上保持了蛋白质之间的相对取向和联系，并保持了其他细胞结构的完整性。这项技术可以将蛋白质的相对位置扭曲到4%。膨胀显微镜比其他超高分辨率技术表现更好。

在一个实验中，研究人员使用膨胀显微镜来测量膨胀的小鼠大脑突触两端蛋白质之间的距离，结果与超高分辨率技术测量的结果几乎相同。

此外，膨胀显微镜在复杂组织的3D成像上表现更好。会议期间，博伊登展示了一张半毫米厚的老鼠大脑海马体的图像，揭示了相邻神经元之间的联系。放大的图像还显示了突触结构的细节，称为神经递质释放的部位。博伊登的团队还用膨胀显微镜研究了果蝇和斑马鱼的大脑，目前正在用。

技术总是在不断超越

加州理工学院的神经科学家维维安娜·格拉迪纳鲁(Viviana Gradinaru)说，博伊登的技术是一个很好的例子，说明科学家可以通过改变生物组织来绕过固有的限制。2013年，斯坦福大学的格拉迪纳鲁和卡尔·戴瑟罗斯领导的团队报道了一种去除脂肪并使老鼠整个大脑透明的方法。这种方法允许厚组织在光学显微镜下成像。去年，格拉迪纳鲁的团队将这项技术应用于其他器官和整只老鼠。

悉尼大学的显微镜专家盖伊·考克斯(Guy Cox)说:“膨胀显微镜确实非常聪明，但不清楚它实际使用了多少。如果要在关键领域使用，我想它将与超高分辨率技术相结合。它的重点应该是分子研究，而不是整个细胞。”