新技术!华人学者带来新的膨胀显微技术

【字体: 时间:2023年01月04日 来源:Nature Biotechnology

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  由于膨胀显微镜技术的创新,我们可以前所未有地观察细胞内部和其他纳米级结构。这些进展有助于为神经科学、病理学和许多其他生物和医学领域提供未来的见解。

  
   

Figure 2: Validation of MAGNIFY in multiple tissue types.    

图像:例如(a)在60×下用SOFI成像并处理的人类肾脏扩张前图像与相同视野(b)在40×下用MAGNIFY成像的扩张后图像。洋红色,DAPI;橙色抗α -肌动蛋白4 (ACTN4);蓝色,波形蛋白。(c-e)均方根(RMS)长度测量误差是(c) DAPI, (d) ACTN4和(e) Vimentin扩展前和扩展后图像测量长度的函数。实线,通道均值;阴影面积,平均标准误差(s.e.m);N = 5个技术重复;平均膨胀系数8.64× (s.e.m 0.24)。(f)在60×下用SOFI成像并处理的人类前列腺扩张前图像与(g)在40×下用MAGNIFY拍摄的扩张后图像进行比较。洋红色,DAPI;绿色,抗atp酶抑制因子1 (ATPIF)。后扩展图像最大强度投影超过3帧。(h-i) RMS长度测量误差是(h) DAPI和(i) ATPIF展开前与展开后图像测量长度的函数。实线,通道均值;阴影面积,s.e.m.;N = 4个技术重复;平均膨胀因子10.38× (s.e.m 0.57)。(j-o)在多种人体组织类型中验证MAGNIFY。人体组织FFPE样品在40×下成像(左上)。图片拍摄于60×and,经SOFI处理(左下)。白框表示高倍图像的视场。然后对样品进行MAGNIFY处理,在水中以10×(右上)和40×(右下)膨胀后成像相同的视场。扩展后图像投影在4-17 z的切片上。洋红色,DAPI;绿色,ATPIF;蓝色,细胞角蛋白泛型I/II。水中膨胀因子为(j)结肠:8.85×, (k)乳房:9×, (l)子宫:8×, (m)胎盘:8.75×, (n)胸腺:10.00×, (o)甲状腺:10.59×。(p-r)人体组织三维图像示例:(p)肾脏(膨胀因子8.68×)。洋红色,DAPI;橙色,ACTN4;蓝色,编剧。(q)结肠(扩张因子9.67×)。洋红色,DAPI;绿色,ATIPF;蓝色,细胞角蛋白泛型I/II。(r)子宫(扩张因子8×)。洋红色,DAPI;绿色,ATIPF;蓝色,细胞角蛋白泛型I/II。放大区域的虚线白框。比例尺(黄色表示扩展后图像):(a) 5 μm;(b) 5 μm(物理尺度后膨胀40.75 μm;膨胀系数:8.15×);(f) 5 μm;(g) 5 μm(物理尺度后膨胀:51.9 μm;膨胀系数:10.38×);(j-o) top: 10 μm;底部:1 μm;(p-t) 5 μm。比例尺都是生物尺度。    

图片来源:卡内基梅隆大学提供

由于膨胀显微成像技术(Expansion microscopy,ExM)的创新,我们可以前所未有地观察细胞内部和其他纳米级结构。这些进展有助于为神经科学、病理学和许多其他生物和医学领域提供未来的见解。

在1月2日发表的论文“Magnify is a universal molecular anchoring strategy for expansion microscopy”中来自卡内基梅隆大学、匹兹堡大学和布朗大学的合作者描述了被称为“ Magnify”的新技术。

生物科学副教授招永欣(Leon)说:“Magnify可以成为生物技术一种有效和可用的工具。”

招永欣的生物光子学实验室是通过物理膨胀样品(称为膨胀显微镜)实现生物样品超分辨率成像领域的领导者。通过该过程,样品被嵌入可膨胀的水凝胶中,该凝胶均匀膨胀以增加分子之间的距离,从而使它们能够以更高的分辨率被观察到。这使得以前只能使用昂贵的高分辨率成像技术才能看到的纳米级生物结构可以用标准显微镜工具看到。

Magnify是膨胀显微镜的一种变体,它允许研究人员使用团队发明的一种新的水凝胶配方,该配方保留了生物分子的光谱,在各种组织中提供了更广泛的应用,并将膨胀率线性增加到11倍或原始体积的1300倍。

“我们克服了膨胀显微镜的一些长期挑战,”招永欣说,“Magnify的主要卖点之一是将组织的生物分子(包括蛋白质、细胞核片段和碳水化合物)保存在扩展样本内的通用策略。”

招永欣说,保持不同的生物成分完好无损很重要,因为以前的方案需要消除许多将组织连接在一起的各种生物分子。但这些分子对研究人员来说可能包含有价值的信息。

他说:“在过去,为了使细胞真正可膨胀,你需要使用酶来消化蛋白质,所以最后,你得到了一个空凝胶,上面有标签,标明了感兴趣的蛋白质的位置。”使用这种新方法,分子保持完整,并且可以在单个样品中标记多种类型的生物分子。

“以前,考试就像单选题。如果你想标记蛋白质,那就是版本一。如果你想给原子核贴上标签,那将是一个不同的版本,如果你想进行同步成像,这是很困难的。现在有了‘Magnify’,你可以选择多个项目进行标记,比如蛋白质、脂类和碳水化合物,并将它们放在一起成像。”

实验室研究员Aleksandra Klimas是一名博士后研究员,他说:“这是一种方便的高分辨率标本成像方法。”“传统上,你需要昂贵的设备、特定的试剂和培训。然而,这种方法广泛适用于许多类型的样品制备,可以用生物实验室里的标准显微镜观察。”

拥有神经科学背景的Gallagher说,他们的目标是让这些协议尽可能地兼容,让研究人员可以从采用Magnify作为工具包的一部分中受益。

“它适用于不同的组织类型、固定方法,甚至是保存和储存的组织。它是非常灵活的,因为你不一定需要重新设计实验;它会和你已有的东西一起工作。”

对于匹兹堡大学生物成像中心和匹兹堡癌症研究所的创始人兼主任Simon Watkins等研究人员来说,新方案与广泛的组织类型兼容——包括保存的组织切片——这一事实很重要。例如,大多数扩展显微镜方法都是针对脑组织进行优化的。相比之下,Magnify在来自各种人体器官和相应肿瘤(包括乳房、大脑和结肠)的样本上进行了测试。

Watkins说:“假设你有一个有密集和非密集成分的组织,这就绕过了以前不会等量扩张的组织。Leon一直在努力研究这个问题,让这个方案适用于已经存档的组织。”

他的部分研究包括研究在人体导气管中清除粘液的活动纤毛。直径200纳米,长度只有几微米,如果没有电子显微镜等耗时的技术,这些结构太小了。Ren的团队与招的实验室合作,开发并交付了具有纤毛超微结构和功能特定缺陷的肺类器官模型,验证Magnify可视化临床相关纤毛病理的能力。

他说:“利用最新的放大技术,我们可以扩大这些肺组织,甚至用普通显微镜也能看到运动纤毛的一些超微结构,这将加快基础和临床研究。”

研究人员还能够在已知有基因突变的患者特异性肺细胞中观察到纤毛中的缺陷。

“肺组织工程界总是需要一种更好的方法来描述我们所研究的组织系统,”Ren说。这项工作是重要的第一步,他希望与招实验室的合作将进一步完善,并应用于组织库中发现的病理样本。

最后,招实验室开发的用于Magnify的水凝胶比其前身更坚固,后者非常脆弱,在过程中会造成断裂。

他说:“我们希望开发这项技术,让大家更容易接触到它。”“这有不同的发展方向。人们对将这种组织扩张技术用于基础科学很感兴趣。”

卡耐基梅隆大学生命科学教授Alison Barth研究学习过程中的突触连通性。她说,新方法提供的广泛应用将是研究人员的福音。

“大脑是利用这些超分辨率技术的好地方,显微镜方法将有利于不同大脑条件下的突触表型和分析。

“这篇论文的主要进展之一是该方法能够在许多不同类型的组织标本上工作。”

文章标题

Magnify is a universal molecular anchoring strategy for expansion microscopy


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