我們通過(guò)眼睛窺見(jiàn)世間萬(wàn)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(gè)個(gè)細(xì)胞。好在，顯微鏡的出現(xiàn)讓我們開(kāi)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(lái)的這段設(shè)想簡(jiǎn)直是不切實(shí)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(shí)，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(shí)現(xiàn)一個(gè)個(gè)“不可能”的過(guò)程。現(xiàn)在，耶魯大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)教授Joerg Bewersdorf帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，為我們表演了一場(chǎng)放大細(xì)胞的“魔術(shù)”。通過(guò)對(duì)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(jiàn)，并且普通顯微鏡能夠看清細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)新技術(shù)帶來(lái)的不僅是視覺(jué)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(guò)Z新研究的不透明顯微成像技術(shù)，我們可以用肉眼看見(jiàn)細(xì)胞結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：Ons M’Saad）
這項(xiàng)突破的起點(diǎn)，要從2015年的一項(xiàng)研究說(shuō)起。當(dāng)時(shí)，作為開(kāi)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(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的新發(fā)明：膨脹顯微成像技術(shù)。
這項(xiàng)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(lái)利用熒光顯微技術(shù)觀察放大后的樣本。這樣一來(lái)，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(jiàn)的小鼠腦組織（圖片來(lái)源：參考資料[3]）
在這項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，Bewersdorf教授開(kāi)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(lái)說(shuō)，肉眼就足以看見(jiàn)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。
當(dāng)然，這里有一個(gè)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(shí)的細(xì)胞雖然足夠大了，但肉眼卻無(wú)法將細(xì)胞組織從背景中區(qū)分出來(lái)。因此，要用肉眼捕捉細(xì)胞，還需要想辦法提升樣本的可見(jiàn)度。
基于這兩點(diǎn)，Bewersdorf教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了全新的不透明顯微成像技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)細(xì)胞樣本進(jìn)行了兩項(xiàng)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(lái)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(méi)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(kāi)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(lái)就需要對(duì)細(xì)胞中的生物材料進(jìn)行染色。“到這時(shí)，細(xì)胞仍然不可見(jiàn)，因?yàn)槠鋬?nèi)容物被水稀釋了8000倍。我們需要通過(guò)染色讓這些細(xì)胞變得不透明。” 論文作者之一，Bewersdorf實(shí)驗(yàn)室的Ons M’Saad表示。
為了增加細(xì)胞內(nèi)容物與背景在視覺(jué)上的對(duì)比度，研究使用了兩項(xiàng)染色技術(shù)。首先是使用可染色的高分子聚合物來(lái)增強(qiáng)信號(hào)，提升細(xì)胞的可見(jiàn)度。具體來(lái)說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)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(xiàng)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(shí)逐漸不透明的細(xì)胞開(kāi)始與周圍背景產(chǎn)生對(duì)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(lái)源：Ons M’Saad）
在這項(xiàng)研究中，作者分別使用來(lái)自人體的海拉細(xì)胞和小鼠腦組織來(lái)檢驗(yàn)這項(xiàng)技術(shù)的效果。通過(guò)這項(xiàng)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(shí)，普通的光學(xué)顯微鏡就能識(shí)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(guò)昂貴的高分辨率顯微鏡才能看見(jiàn)。
▲通過(guò)普通光學(xué)顯微鏡觀察到的腦組織超微結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：參考資料[1]）
目前，這篇論文仍在同行評(píng)議的過(guò)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(xiàng)研究）認(rèn)為，這項(xiàng)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(guò)他也指出，掌握這項(xiàng)技術(shù)需要一定的時(shí)間，這項(xiàng)技術(shù)需要進(jìn)一步的簡(jiǎn)化、改進(jìn)，以兌現(xiàn)全部潛力。
Bewersdorf教授也表示，這項(xiàng)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(wàn)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(jià)地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，彌合研究中心之間的資金缺口。”
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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