我們通過眼睛窺見世間萬物，但人眼的分辨率終究是有限的。我們可以看清窗戶上的一只螞蟻，但卻看不到組成這只螞蟻的一個個細(xì)胞。好在，顯微鏡的出現(xiàn)讓我們開始接觸細(xì)胞層面的微觀世界；而探索更細(xì)微的核糖體、微管等超微結(jié)構(gòu)，則需要更先進(jìn)的高分辨率熒光顯微鏡與電子顯微鏡。
在這樣的背景下，接下來的這段設(shè)想簡直是不切實際：一枚直徑40微米的普通細(xì)胞，我們用肉眼就能看清基本結(jié)構(gòu)；同時，普通的光學(xué)顯微鏡也能“平替”那些昂貴的儀器，研究其中的超微結(jié)構(gòu)特征。
但科技的發(fā)展，就是實現(xiàn)一個個“不可能”的過程?，F(xiàn)在，耶魯大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)教授Joerg Bewersdorf帶領(lǐng)團(tuán)隊，為我們表演了一場放大細(xì)胞的“魔術(shù)”。通過對細(xì)胞的“膨脹-染色”兩步改造，細(xì)胞體積被放大至少8000倍，變得肉眼可見，并且普通顯微鏡能夠看清細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)。這項新技術(shù)帶來的不僅是視覺奇觀，還有望將前沿的生物學(xué)研究帶到更廣泛的地區(qū)。
▲通過Z新研究的不透明顯微成像技術(shù)，我們可以用肉眼看見細(xì)胞結(jié)構(gòu)（圖片來源：Ons M’Saad）
這項突破的起點，要從2015年的一項研究說起。當(dāng)時，作為開創(chuàng)了光遺傳學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)之一，麻省理工學(xué)院的Edward Boyden教授在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了另一項開創(chuàng)性的新發(fā)明：膨脹顯微成像技術(shù)。
這項技術(shù)首先在聚陰離子水凝膠的幫助下，將熒光標(biāo)記的生物樣本放大；接下來利用熒光顯微技術(shù)觀察放大后的樣本。這樣一來，Z終的放大倍數(shù)就是物理放大與顯微鏡光學(xué)放大倍數(shù)的乘積。
▲利用膨脹顯微成像技術(shù)看見的小鼠腦組織（圖片來源：參考資料[3]）
在這項技術(shù)的基礎(chǔ)上，Bewersdorf教授開始設(shè)想新的可能性。以普通的海拉細(xì)胞為例，如果能夠?qū)⒓?xì)胞直徑放大20倍，也就是細(xì)胞體積膨脹8000倍，那么理論上來說，肉眼就足以看見細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。
當(dāng)然，這里有一個障礙需要解決：在膨脹的細(xì)胞里，蛋白質(zhì)也被稀釋了8000倍。這時的細(xì)胞雖然足夠大了，但肉眼卻無法將細(xì)胞組織從背景中區(qū)分出來。因此，要用肉眼捕捉細(xì)胞，還需要想辦法提升樣本的可見度。
基于這兩點，Bewersdorf教授團(tuán)隊開發(fā)出了全新的不透明顯微成像技術(shù)。簡單來說，這項技術(shù)對細(xì)胞樣本進(jìn)行了兩項關(guān)鍵的處理：讓細(xì)胞膨脹，以及給細(xì)胞染色。
▲Z新技術(shù)能夠用肉眼揭示細(xì)胞基本結(jié)構(gòu)（圖片來源：參考資料[1]）
先是膨脹。與膨脹顯微成像技術(shù)類似，也是將細(xì)胞浸沒在水凝膠溶液中。這份溶液含有大量丙烯酸鈉分子，這種小分子正常情況下游離在溶液中，但在細(xì)胞進(jìn)入溶液后，這些丙烯酸鈉分子聚集、與細(xì)胞中的連接，組成吸水能力很強(qiáng)的聚合物——聚丙烯酸鈉，溶液凝結(jié)成膠體。聚合物吸收的水分子開始將細(xì)胞撐大，一枚海拉細(xì)胞可以膨脹到直徑0.8毫米。
完成膨脹的步驟后，接下來就需要對細(xì)胞中的生物材料進(jìn)行染色。“到這時，細(xì)胞仍然不可見，因為其內(nèi)容物被水稀釋了8000倍。我們需要通過染色讓這些細(xì)胞變得不透明?！?論文作者之一，Bewersdorf實驗室的Ons M’Saad表示。
為了增加細(xì)胞內(nèi)容物與背景在視覺上的對比度，研究使用了兩項染色技術(shù)。首先是使用可染色的高分子聚合物來增強(qiáng)信號，提升細(xì)胞的可見度。具體來說，研究團(tuán)隊用小分子靶向細(xì)胞中的蛋白質(zhì)分子，在光照下其與其他化合物結(jié)合，形成可以染為藍(lán)色的高分子聚合物。另一項技術(shù)則是用二氨基聯(lián)苯胺或金屬銀這兩種顯色基底沉淀在切片的細(xì)胞樣本上，這時逐漸不透明的細(xì)胞開始與周圍背景產(chǎn)生對比度，直至肉眼可以辨別。
▲不透明顯微成像技術(shù)的流程示意圖（圖片來源：Ons M’Saad）
在這項研究中，作者分別使用來自人體的海拉細(xì)胞和小鼠腦組織來檢驗這項技術(shù)的效果。通過這項技術(shù)，研究者能夠用肉眼看清放大細(xì)胞形態(tài)，并且辨別出細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)以及細(xì)胞間的連接。同時，普通的光學(xué)顯微鏡就能識別出更多微觀細(xì)節(jié)，例如神經(jīng)元突觸、線粒體內(nèi)膜折皺形成的嵴。在此之前，這些結(jié)構(gòu)只能通過昂貴的高分辨率顯微鏡才能看見。
▲通過普通光學(xué)顯微鏡觀察到的腦組織超微結(jié)構(gòu)（圖片來源：參考資料[1]）
目前，這篇論文仍在同行評議的過程中，尚未正式發(fā)表。斯坦福大學(xué)的生物學(xué)家Manu Prakash教授（未參與這項研究）認(rèn)為，這項技術(shù)可以改變現(xiàn)狀：不需要Z先進(jìn)的顯微鏡，也能進(jìn)行高分辨率的顯微鏡學(xué)研究。不過他也指出，掌握這項技術(shù)需要一定的時間，這項技術(shù)需要進(jìn)一步的簡化、改進(jìn)，以兌現(xiàn)全部潛力。
Bewersdorf教授也表示，這項新技術(shù)可以讓顯微鏡學(xué)研究變得更加容易：“超分辨率顯微鏡可能需要上百萬美元，并且少不了技術(shù)專家的維護(hù)和基礎(chǔ)設(shè)施。但是，不透明顯微成像技術(shù)可以廉價地實現(xiàn)這一點，彌合研究中心之間的資金缺口?！?/span>
參考資料：
[1] Ons M’Saad et al., Unclearing Microscopy. doi: https://doi.org/10.1101/2022.11.29.518361
[2] New Swelling Technique Makes Cells Visible to the Naked Eye. Retrieved January 19th, 2023 from https://www.the-scientist.com/news-opinion/new-swelling-technique-makes-cells-visible-to-the-naked-eye-70902
[3] Fei Chen et al., Expansion microscopy. Science (2015). DOI: 10.1126/science.1260088
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