Tetra-Gel聚合物为扩张显微镜成像提供更高水平的精度

麻省理工学院的Edward Boyden领导的科学家应用了Boyden实验室在2015年推出的扩张显微镜原理，用来开发出一种低价的成像方法，他们利用普通光显微镜对单个病毒粒子进行成像。该方法的关键是一种新型水凝胶，其配置比传统扩展显微镜通常使用的配置更加均匀。在这项技术中，科学家将生物样本嵌入水凝胶中，并在用显微镜成像之前将其展开。

研究人员说，这项技术除了单个病毒颗粒外，也可能使他们最终能够对单一生物分子进行成像。神经技术学教授、生物工程和大脑及认知科学教授、麻省理工学院麦戈文脑研究所（McGovern Institute for Brain Research）成员、科赫综合癌症研究所（Koch Institute for Integrative Cancer Research）成员Boyden说，以这种精确度进行成像可以研究使生命成为可能的基本分子的相互作用。"如果你能看到单个分子，并以一位数纳米的精度识别它们是什么样的，那么你也许能够真正观察生命的结构，"报告这项新方法研究的资深作者Boyden说， "正如一个世纪的现代生物学告诉我们的，结构支配着功能。"

麻省理工学院的工程师们已经开发出一种新型的水凝胶，它保持了更均匀的配置，如图所示，能够更精确地将生物样本成像到大约10nm的分辨率。Ella Maru Studio供图。

自从开展研究以来，研究人员有效地利用扩张显微镜在成像前将样品在线性维度上放大了约四倍。这样做的能力允许他们使用标准设备生成高分辨率图像。Boyden说，与Boyden实验室的后续开发相配（样品中蛋白质、RNA和其它分子的分子标记方法，以便在扩张后可以成像），表明全球对低价纳米成像的需求很高。电子显微镜和超分辨率成像都提供高分辨率，但运作方法所需的设备成本高昂。为了进一步提高扩展显微镜的准确性，新工作克服了 Boyden 和他的团队在 2017 年论文中描述的不规则所造成的瓶颈。该工作中的实验室团队成员使用扩展显微镜和在成像前两次扩展样品的过程实现了约20nm的分辨率。该工艺依赖于聚丙烯酸钠聚合物，这种聚合物以一种称为自由基合成的方法组合而成。虽然这个过程组合的凝胶暴露在水中时会膨胀，但其结构并不完全均匀。该质量导致扩展样本形状轻微失真，限制了后续成像的准确性。

新开发的凝胶tetra-gel通过形成更可预测的结构，帮助团队克服了这一限制。通过将四面体PEG分子与四面体钠酯复合物结合，研究小组创造了一种格子状结构，比以前使用的自由基合成钠聚丙烯酸酯更均匀。扩大单纯疱疹病毒1型（HSV-1）颗粒的演示显示了这项改进方法的准确性。HSV-1粒子具有独特的球形。在扩大粒子并比较通过电子显微镜获得的形状后，Boyden的研究小组发现，其失真率低于以前版本的扩张显微镜。Tetra-gel的实现最终提供了大约10nm的精度。这项工作还包括尝试使用新的水凝胶来扩张细胞，如人类肾脏和小鼠脑细胞。接下来的步骤将着眼于提高精度，使用户能够对这些细胞中的单个分子进行成像。这样做首先需要在执行扩张过程后创建较小的标签或添加到标签中：用于标记细胞分子的抗体大小约为10至20nm。团队成员也在探索其它类型的聚合物或tetra-gel聚合物的改良版本是否可以提高精度。

根据Boyden的说法，单个分子水平的精度足以显示不同分子是如何相互作用的。他说，这将产生关于细胞信号通路、免疫反应激活、突触通信、药物目标相互作用和其它生物现象新的信息。这项研究由Lisa Yang、John Doerr、Open Philanthropy、National Institutes of Health、Howard Hughes Medical Institute Simons Faculty Scholars Program、Intelligence Advanced Research Projects Activity、U.S. Army Research Laboratory 、U.S.-Israel Binational Science Foundation、National Science Foundation、Friends of the McGovern Fellowship以及哈佛医学院图像和数据分析核心研究员项目资助。这项研究成果发表在《Nature Nanotechnology》上(www.doi.org/10.1038/s41565-021-00875-7).