麻省理工学院的研究人员现在开发了一种新的方法来克服这一限制，使那些“不可见”的分子可见。他们的技术允许他们在标记分子之前通过扩大细胞或组织样本来“去拥挤”分子，这使得分子更容易被荧光标记所接近。

这种方法建立在一种被广泛使用的技术——扩展显微镜技术之上，这种技术是由麻省理工学院开发的，它应该能让科学家们看到以前从未见过的分子和细胞结构。

“很明显，扩张过程将揭示许多新的生物发现。如果生物学家和临床医生一直在研究大脑中的一种蛋白质或另一种生物标本，并以常规的方式对其进行标记，他们可能会遗漏整个现象类别。”神经技术Y. Eva Tan教授、麻省理工学院生物工程、大脑和认知科学教授、霍华德·休斯医学研究所研究员、麻省理工学院麦戈文大脑研究所和科赫综合癌症研究所成员爱德华·博伊登说。

利用这项技术，Boyden和他的同事们展示了他们可以对神经元突触中的纳米结构进行成像。他们还拍摄了与阿尔茨海默病相关的β淀粉样蛋白斑块的结构，比以前更详细。

媒体实验室助理教授、该研究的主要作者之一Deblina Sarkar说:“我们的技术，我们称之为扩展揭示，使这些以前隐藏的纳米结构可视化，使用在学术实验室很容易获得的硬件。”

这项研究的资深作者是Boyden;麻省理工学院Picower学习与记忆研究所所长蔡丽辉;以及马里兰大学生理学教授托马斯·布兰派德。其他主要作者包括麻省理工学院博士后Jinyoung Kang和最近获得麻省理工学院博士学位的Asmamaw Wassie。这项研究发表在今天的《自然生物医学工程》杂志上。

De-crowding

成像细胞内的特定蛋白质或其他分子需要用抗体携带的荧光标签对其进行标记，抗体携带的荧光标签与目标结合。抗体长约10纳米，而典型的细胞蛋白直径通常约为2 - 5纳米，所以如果目标蛋白过于密集，抗体就无法接触到它们。

这是传统成像的一个障碍，也是博伊登在2015年首次开发的原始膨胀显微镜的一个障碍。在最初的膨胀显微镜技术中，研究人员将荧光标签贴在感兴趣的分子上，然后再对组织进行扩张。首先进行标记，部分原因是研究人员必须使用一种酶来切割样本中的蛋白质，这样组织才能扩大。这意味着，在组织扩张后，蛋白质不能被标记。

为了克服这一障碍，研究人员必须找到一种方法，使组织扩张，同时保持蛋白质的完整性。他们用热代替酶来软化组织，使组织在不被破坏的情况下膨胀20倍。然后将分离的蛋白扩增后进行荧光标记。

有了这么多可标记的蛋白质，研究人员能够识别突触内的微小细胞结构，突触是神经元之间密集填充蛋白质的连接。他们对7种不同的突触蛋白进行了标记和成像，这使得他们能够详细地可视化由钙通道和其他突触蛋白排列组成的“纳米柱”。这些纳米柱被认为有助于使突触通信更有效，是由Blanpied的实验室在2016年首次发现的。

Kang说:“这项技术可以用来回答许多有关突触蛋白功能障碍的生物学问题，突触蛋白与神经退行性疾病有关。”“到目前为止，还没有工具可以很好地可视化突触。”

新模式

研究人员还利用他们的新技术对β淀粉样蛋白成像，这是一种在阿尔茨海默氏症患者大脑中形成斑块的肽。利用小鼠的脑组织，研究人员发现淀粉样蛋白β形成了以前从未见过的周期性纳米团簇。这些淀粉样蛋白簇还包括钾通道。研究人员还发现淀粉样β分子沿着轴突形成螺旋结构。

“在这篇论文中，我们没有推测这种生物学可能意味着什么，但我们证明了它的存在。这只是我们可以看到的新模式的一个例子，”麻省理工学院的研究生玛格丽特·施罗德说，她也是这篇论文的作者之一。

Sarkar说她对这项技术揭示的纳米级生物分子模式着迷。“在纳米电子学的背景下，我已经在纳米实验室中开发出了需要极其精确对准的电子芯片。但当我看到大自然母亲在我们的大脑中以纳米级的精度排列生物分子时，这真的让我大吃一惊，”她说。

博伊登和他的团队成员现在正与其他实验室合作，研究与帕金森氏症和其他疾病有关的蛋白质聚集物等细胞结构。在其他项目中，他们正在研究感染与大脑衰老有关的细胞和分子的病原体。这些研究的初步结果也揭示了新的结构，Boyden说。

“一次又一次，你会看到真正令人震惊的事情，”他说。“它向我们展示了经典未扩张染色缺失了多少。”

研究人员还在努力改进这项技术，使他们可以一次成像多达20种蛋白质。他们还在努力调整他们的工艺，以便将其用于人体组织样本。

另一方面，萨卡尔和她的团队正在开发可以分布在大脑中的微型无线供电纳米电子设备。他们计划将这些设备与扩展显示集成在一起。“这可以将纳米电子学的智能与膨胀技术的纳米透视技术相结合，从而对大脑的功能和结构进行综合理解，”萨卡尔说。

这项研究由国立卫生研究院、国家科学基金会、路德维希家族基金会、JPB基金会、开放慈善项目、John Doerr、Lisa Yang和麻省理工学院的Tan-Yang自闭症研究中心、美国陆军研究办公室、Charles Hieken、Tom Stocky、Kathleen Octavio、Lore McGovern、Good Ventures和HHMI资助。

Journal Reference:

1. Sarkar, D., Kang, J., Wassie, A.T. et al. . Revealing nanostructures in brain tissue via protein decrowding by iterative expansion microscopy. Nat. Biomed. Eng, 2022 DOI: 10.1038/s41551-022-00912-3