显微镜使活细胞和组织看起来更大。但是，如果我们真的能使这些东西变大呢？
这听起来可能像是一个读过太多次《爱丽丝梦游仙境》的科学家的幻想，但这个概念是一种新方法的基础，该方法可以使用普通显微镜以精细的分子细节对整个大脑进行成像，并分辨通常超出光学极限的特征。
这项名为膨胀显微镜的技术，涉及使用婴儿尿布（尿片）中更常见的材料来物理膨胀生物组织。麻省理工学院（MIT）的神经工程师 Edward Boyden 上个月在一次会议上讨论了这项技术，该技术由他与麻省理工学院的同事 Fei Chen 和 Paul Tillberg 共同开发。
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获奖的根源
膨胀显微镜是超分辨率显微镜的一个变体，超分辨率显微镜为三位科学家赢得了2014年诺贝尔化学奖。两种技术都试图规避物理定律施加的限制。1873 年，德国物理学家恩斯特·阿贝推断出，传统的光学显微镜无法区分彼此距离小于 200 纳米的物体——大约是可见光最短波长的一半。任何比这个“衍射极限”更近的东西都会显示为模糊。
超分辨率显微镜方法通过操纵与蛋白质相连的荧光分子来克服阿贝的极限，从而更好地定位分子发出的光源。这些方法现在可以识别距离约为 20 纳米的物体。但是，这些挑剔的技术需要昂贵、专业的设备，并且难以处理厚实的结构，例如大脑或肿瘤的切片。
Boyden 和许多其他神经科学家希望收集分子细节，例如神经突触（两个神经元进行通信的连接处）中蛋白质的位置，在一组神经元中，甚至在整个大脑中。
“我们一直在尝试做的是弄清楚我们是否可以把所有东西都放大，”Boyden 在马里兰州贝塞斯达的美国国立卫生研究院 (NIH) 的会议上说道。为了实现这一点，他的团队使用了一种叫做丙烯酸酯的化学物质，它具有两个有用的特性：它可以形成一个可以固定蛋白质的致密网格，并且在有水的情况下会膨胀。丙烯酸酯，一种也称为吸水树脂的盐类，是赋予尿布海绵性的物质。当膨胀时，Boyden 的组织在每个维度上都会增长大约 4.5 倍。
只需加水
在膨胀之前，组织用一种化学混合物处理，使其透明，然后用荧光分子将特定蛋白质锚定到丙烯酸酯上，然后将丙烯酸酯注入组织中。就像尿布一样，加水会导致丙烯酸酯聚合物膨胀。拉伸后，带有荧光标记的分子彼此之间的距离更远；以前太近而无法用可见光显微镜区分的蛋白质会变得清晰可见。在 NIH 的演示中，Boyden 表示，该技术可以分辨在膨胀之前距离近至 60 纳米的分子。
至关重要的是，该过程在很大程度上保持了蛋白质的相对方向和相互连接，并保持其他细胞结构的完整：Boyden 的团队计算出，它将蛋白质的相对位置扭曲了 1-4%。
根据 Boyden 的说法，膨胀显微镜与其它超分辨率技术相比表现良好。在对膨胀的小鼠脑组织进行的一项实验中，研究人员测量了位于神经突触两端的两种蛋白质之间的距离。他们的测量结果几乎与使用超分辨率技术进行的测量结果相同。
但是 Boyden 说，膨胀显微镜可能在三维成像复杂组织方面做得更好。在会议上，他展示了一张小鼠大脑海马体的半毫米厚切片的图像，其比例揭示了相邻神经元之间的连接。放大同一图像甚至揭示了称为突触小体的微小突触结构的细节，神经递质在那里被释放。Boyden 的团队还研究了果蝇和斑马鱼的大脑，而一个合作小组正在将膨胀显微镜应用于人脑。
突破界限
加州理工学院帕萨迪纳分校的神经科学家 Viviana Gradinaru 表示，Boyden 的技术是科学家通过修改生物组织来绕过硬件限制的另一个例子。2013 年，由 Gradinaru 和加州斯坦福大学的 Karl Deisseroth 领导的一个团队报告了一种方法，该方法可以去除脂肪和其他分子，使完整的大脑组织透明，从而可以使用光学显微镜对厚切片进行成像（参见“透明大脑阐明连接”）。去年，Gradinaru 的团队将该技术应用于其他器官和整只小鼠。“这似乎是一个精彩的故事，”她评价 Boyden 的方法说。
“这当然是非常巧妙的，但它有多少实际用途还不太清楚，”澳大利亚悉尼大学的显微镜专家 Guy Cox 指出。“如果要认真使用，我怀疑它将与现有的超分辨率技术合作，用于小型大分子复合物，以进一步突破界限，而不是观察整个细胞。”
德国哥廷根马克斯·普朗克生物物理化学研究所的主任 Stefan Hell，他是去年化学诺贝尔奖的分享者，表示这项技术很有趣，值得研究。Hell 指出，在 1990 年代初期，德国罗斯托克大学的科学家提出了类似的想法。“看来 Boyden 等人找到了一种真正可行的解决方案。”
本文经许可转载，并于 2015 年 1 月 9 日首次发表。