Nature子刊：首次揭示细胞和组织中隐藏的纳米结构

在成像前分离密集排列的分子，使它们第一次可见。

　　

在一个活细胞内，蛋白质和其他分子通常紧密地结合在一起。这些密集的团簇很难被成像，因为用来显示它们的荧光标签不能插入分子之间。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——扩大显微镜技术之上，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，扩大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。”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Edward Boyden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，我们称之为扩大揭示，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。”

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《Nature Biomedical Engineering》杂志上。

去拥挤（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Boyden在2015年首次开发的原始扩大显微镜的一个障碍。在最初的扩大显微镜技术中，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大。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，在组织扩大后，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，使组织扩大，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。

Boyden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。

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，Sarkar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大显示集成在一起。“这可以将纳米电子学的智能与扩大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，”Sarkar说。