让细胞膨胀8000倍！耶鲁团队革命性发明，肉眼也能看清细胞

我们通过眼睛窥见世间万物，但人眼的分辨率终究是有限的。我们可以看清窗户上的一只蚂蚁，但却看不到组成这只蚂蚁的一个个细胞。

好在，显微镜的出现让我们开始接触细胞层面的微观世界；而探索更细微的核糖体、微管等超微结构，则需要更先进的高分辨率荧光显微镜与电子显微镜。

在这样的背景下，接下来的这段设想简直是不切实际：一枚直径40微米的普通细胞，我们用肉眼就能看清基本结构；同时，普通的光学显微镜也能 “平替” 那些昂贵的仪器，研究其中的超微结构特征。

但科技的发展，就是实现一个个 “不可能” 的过程。现在，耶鲁大学细胞生物学教授 Joerg Bewersdorf 带领团队，为我们表演了一场放大细胞的 “魔术”：

通过对细胞的 “膨胀-染色” 两步改造，细胞体积被放大至少8000倍，变得肉眼可见，并且普通显微镜能够看清细胞的超微结构。这项新技术带来的不仅是视觉奇观，还有望将前沿的生物学研究带到更广泛的地区。

通过最新研究的不透明显微成像技术，我们可以用肉眼看见细胞结构 图源：Ons M’Saad

这项突破的起点，要从2015年的一项研究说起。当时，作为开创了光遗传学领域的先驱之一，麻省理工学院的 Edward Boyden 教授在《科学》杂志上发表了另一项开创性的新发明：膨胀显微成像技术（Expansion Microscopy）。

这项技术首先在聚阴离子水凝胶的帮助下，将荧光标记的生物样本放大；接下来利用荧光显微技术观察放大后的样本。这样一来，最终的放大倍数就是物理放大与显微镜光学放大倍数的乘积。

利用膨胀显微成像技术看见的小鼠脑组织 图源[3]

在这项技术的基础上，Bewersdorf教授开始设想新的可能性。以普通的海拉细胞为例，如果能够将细胞直径放大20倍，也就是细胞体积膨胀8000倍，那么理论上来说，肉眼就足以看见细胞的结构。

当然，这里有一个障碍需要解决：在膨胀的细胞里，蛋白质也被稀释了8000倍。这时的细胞虽然足够大了，但肉眼却无法将细胞组织从背景中区分出来。因此，要用肉眼捕捉细胞，还需要想办法提升样本的可见度。

基于这两点，Bewersdorf教授团队开发出了全新的不透明显微成像技术（Unclearing Microscopy）。简单来说，这项技术对细胞样本进行了两项关键的处理：让细胞膨胀，以及给细胞染色。

最新技术能够用肉眼揭示细胞基本结构 图源[1]

首先是膨胀。与膨胀显微成像技术类似，也是将细胞浸没在水凝胶溶液中。这份溶液含有大量丙烯酸钠分子，这种小分子正常情况下游离在溶液中，但在细胞进入溶液后，这些丙烯酸钠分子聚集、与细胞中的连接，组成吸水能力很强的聚合物——聚丙烯酸钠，溶液凝结成胶体。聚合物吸收的水分子开始将细胞撑大，一枚海拉细胞可以膨胀到直径0.8毫米。

完成膨胀的步骤后，接下来就需要对细胞中的生物材料进行染色。“到这时，细胞仍然不可见，因为其内容物被水稀释了8000倍。我们需要通过染色让这些细胞变得不透明。” 论文作者之一，Bewersdorf实验室的 Ons M’Saad 表示。

为了增加细胞内容物与背景在视觉上的对比度，研究使用了两项染色技术。首先是使用可染色的高分子聚合物来增强信号，提升细胞的可见度。具体来说，研究团队用小分子靶向细胞中的蛋白质分子，在光照下其与其他化合物结合，形成可以染为蓝色的高分子聚合物。另一项技术则是用二氨基联苯胺或金属银这两种显色基底沉淀在切片的细胞样本上，这时逐渐不透明的细胞开始与周围背景产生对比度，直至肉眼可以辨别。

不透明显微成像技术的流程示意图 图源：Ons M’Saad

在这项研究中，作者分别使用来自人体的海拉细胞和小鼠脑组织来检验这项技术的效果。通过这项技术，研究者能够用肉眼看清放大细胞形态，并且辨别出细胞核、细胞质以及细胞间的连接。同时，普通的光学显微镜就能识别出更多微观细节，例如神经元突触、线粒体内膜折皱形成的嵴。在此之前，这些结构只能通过昂贵的高分辨率显微镜才能看见。

通过普通光学显微镜观察到的脑组织超微结构 图源[1]

斯坦福大学的生物学家 Manu Prakash 教授（未参与这项研究）认为，这项技术可以改变现状：不需要最先进的显微镜，也能进行高分辨率的显微镜学研究。不过他也指出，掌握这项技术需要一定的时间，这项技术需要进一步的简化、改进，以兑现全部潜力。

Bewersdorf教授也表示，这项新技术可以让显微镜学研究变得更加容易：“超分辨率显微镜可能需要上百万美元，并且少不了技术专家的维护和基础设施。但是，不透明显微成像技术可以廉价地实现这一点，弥合研究中心之间的资金缺口。”

参考资料：

[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

本文原载于《学术经纬》，《西湖欧米》获权转载。

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