我們通過眼睛窺見世間萬物，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個細胞。好在，顯微鏡的出現讓我們開始接觸細胞層面的微觀世界；而探索更細微的核糖體、微管等超微結構，則需要更先進的高分辨率熒光顯微鏡與電子顯微鏡。
在這樣的背景下，接下來的這段設想簡直是不切實際：一枚直徑40微米的普通細胞，我們用肉眼就能看清基本結構；同時，普通的光學顯微鏡也能“平替”那些昂貴的儀器，研究其中的超微結構特征。
但科技的發展，就是實現一個個“不可能”的過程。現在，耶魯大學細胞生物學教授Joerg Bewersdorf帶領團隊，為我們表演了一場放大細胞的“魔術”。通過對細胞的“膨脹-染色”兩步改造，細胞體積被放大至少8000倍，變得肉眼可見，并且普通顯微鏡能夠看清細胞的超微結構。這項新技術帶來的不僅是視覺奇觀，還有望將前沿的生物學研究帶到更廣泛的地區。
▲通過Z新研究的不透明顯微成像技術，我們可以用肉眼看見細胞結構（圖片來源：Ons M’Saad）
這項突破的起點，要從2015年的一項研究說起。當時，作為開創了光遺傳學領域的先驅之一，麻省理工學院的Edward Boyden教授在《科學》雜志上發表了另一項開創性的新發明：膨脹顯微成像技術。
這項技術首先在聚陰離子水凝膠的幫助下，將熒光標記的生物樣本放大；接下來利用熒光顯微技術觀察放大后的樣本。這樣一來，Z終的放大倍數就是物理放大與顯微鏡光學放大倍數的乘積。
▲利用膨脹顯微成像技術看見的小鼠腦組織（圖片來源：參考資料[3]）
在這項技術的基礎上，Bewersdorf教授開始設想新的可能性。以普通的海拉細胞為例，如果能夠將細胞直徑放大20倍，也就是細胞體積膨脹8000倍，那么理論上來說，肉眼就足以看見細胞的結構。
當然，這里有一個障礙需要解決：在膨脹的細胞里，蛋白質也被稀釋了8000倍。這時的細胞雖然足夠大了，但肉眼卻無法將細胞組織從背景中區分出來。因此，要用肉眼捕捉細胞，還需要想辦法提升樣本的可見度。
基于這兩點，Bewersdorf教授團隊開發出了全新的不透明顯微成像技術。簡單來說，這項技術對細胞樣本進行了兩項關鍵的處理：讓細胞膨脹，以及給細胞染色。
▲Z新技術能夠用肉眼揭示細胞基本結構（圖片來源：參考資料[1]）
先是膨脹。與膨脹顯微成像技術類似，也是將細胞浸沒在水凝膠溶液中。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，但在細胞進入溶液后，這些丙烯酸鈉分子聚集、與細胞中的連接，組成吸水能力很強的聚合物——聚丙烯酸鈉，溶液凝結成膠體。聚合物吸收的水分子開始將細胞撐大，一枚海拉細胞可以膨脹到直徑0.8毫米。
完成膨脹的步驟后，接下來就需要對細胞中的生物材料進行染色。“到這時，細胞仍然不可見，因為其內容物被水稀釋了8000倍。我們需要通過染色讓這些細胞變得不透明。” 論文作者之一，Bewersdorf實驗室的Ons M’Saad表示。
為了增加細胞內容物與背景在視覺上的對比度，研究使用了兩項染色技術。首先是使用可染色的高分子聚合物來增強信號，提升細胞的可見度。具體來說，研究團隊用小分子靶向細胞中的蛋白質分子，在光照下其與其他化合物結合，形成可以染為藍色的高分子聚合物。另一項技術則是用二氨基聯苯胺或金屬銀這兩種顯色基底沉淀在切片的細胞樣本上，這時逐漸不透明的細胞開始與周圍背景產生對比度，直至肉眼可以辨別。
▲不透明顯微成像技術的流程示意圖（圖片來源：Ons M’Saad）
在這項研究中，作者分別使用來自人體的海拉細胞和小鼠腦組織來檢驗這項技術的效果。通過這項技術，研究者能夠用肉眼看清放大細胞形態，并且辨別出細胞核、細胞質以及細胞間的連接。同時，普通的光學顯微鏡就能識別出更多微觀細節，例如神經元突觸、線粒體內膜折皺形成的嵴。在此之前，這些結構只能通過昂貴的高分辨率顯微鏡才能看見。
▲通過普通光學顯微鏡觀察到的腦組織超微結構（圖片來源：參考資料[1]）
目前，這篇論文仍在同行評議的過程中，尚未正式發表。斯坦福大學的生物學家Manu Prakash教授（未參與這項研究）認為，這項技術可以改變現狀：不需要Z先進的顯微鏡，也能進行高分辨率的顯微鏡學研究。不過他也指出，掌握這項技術需要一定的時間，這項技術需要進一步的簡化、改進，以兌現全部潛力。
Bewersdorf教授也表示，這項新技術可以讓顯微鏡學研究變得更加容易：“超分辨率顯微鏡可能需要上百萬美元，并且少不了技術專家的維護和基礎設施。但是，不透明顯微成像技術可以廉價地實現這一點，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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