对细胞内纳米级结构成像的经典方法是使用高功率、昂贵的超分辨率显微镜。作为替代方案，麻省理工学院的研究人员已经开发出一种在成像之前扩大组织的方法。这项技术可以让他们用传统的光学显微镜达到纳米级的分辨率。

在这项技术的最新版本中，研究人员一步就能将组织扩大20倍。这种简单、廉价的方法可以为几乎任何生物实验室进行纳米级成像铺平道路。

劳拉·基斯林是麻省理工学院诺华化学教授，也是麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所和麻省理工学院科赫综合癌症研究所的成员，她说：“这使成像更加民主化。”

该技术的分辨率约为20纳米，科学家们可以看到细胞内的细胞器以及蛋白质簇。

“20倍的扩张让你进入生物分子运作的领域。生命的基石是纳米级的东西：生物分子、基因和基因产物，”麻省理工学院（MIT）神经技术Y. Eva Tan教授爱德华·博伊登（Edward Boyden）说。生物工程、媒体艺术与科学、大脑与认知科学教授；霍华德休斯医学研究所研究员；也是麻省理工学院麦戈文脑研究所和科赫综合癌症研究所的成员。

博伊登和基斯林是这项新研究的资深作者，该研究将发表在《自然方法》杂志上。麻省理工学院研究生王世伟和Tay Won Shin博士23是这篇论文的主要作者。

单次扩张

博伊登的实验室在2015年发明了扩展显微镜。该技术需要将组织嵌入吸收性聚合物中，并分解通常将组织结合在一起的蛋白质。当加入水时，凝胶膨胀并将生物分子相互分离。

这项技术的最初版本将组织扩大了四倍，使研究人员能够获得分辨率约为70纳米的图像。2017年，博伊登的实验室修改了这一过程，加入了第二个扩展步骤，实现了20倍的总体扩展。这可以实现更高的分辨率，但过程更复杂。

博伊登说：“我们过去已经开发了几种20倍的扩展技术，但它们需要多个扩展步骤。”“如果你能在一个步骤中完成这么多的扩展，那就可以简化很多事情。”

通过20倍的扩展，研究人员可以使用传统的光学显微镜将分辨率降低到20纳米左右。这使他们能够看到细胞结构，如微管和线粒体，以及蛋白质簇。

在这项新研究中，研究人员仅用一步就完成了20倍的扩张。这意味着他们必须找到一种既具有极强的吸水性又具有机械稳定性的凝胶，这样它就不会在膨胀20倍时破裂。

为了实现这一目标，他们使用了一种由N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）和丙烯酸钠组装而成的凝胶。不像以前的膨胀凝胶依赖于添加另一个分子来形成聚合物链之间的交联，这种凝胶自发形成交联，并表现出强大的机械性能。这种凝胶成分以前曾用于扩展显微镜协议，但最终的凝胶只能扩展约10倍。麻省理工学院的研究小组优化了凝胶和聚合过程，使凝胶更加坚固，并允许20倍的膨胀。

为了进一步稳定凝胶并提高其可重复性，研究人员在凝胶化之前从聚合物溶液中去除氧气，以防止干扰交联的副反应。这一步需要在聚合物溶液中注入氮气，以取代系统中的大部分氧气。

一旦凝胶形成，将组织结合在一起的蛋白质中的特定键被打破，水被加入以使凝胶膨胀。扩增完成后，可以对组织中的靶蛋白进行标记和成像。

Shin说：“与其他超分辨率技术相比，这种方法可能需要更多的样品准备，但在实际成像过程中要简单得多，特别是对于3D成像。”“我们在手稿中记录了一步一步的协议，以便读者可以轻松地完成它。”

微小结构成像

利用这项技术，研究人员能够对脑细胞内的许多微小结构进行成像，包括被称为突触纳米柱的结构。这些是在神经元突触中以特定方式排列的蛋白质簇，允许神经元通过分泌神经递质（如多巴胺）相互交流。

在对癌细胞的研究中，研究人员还对微管进行了成像。中空管帮助细胞形成结构并在细胞分裂中起重要作用。他们还能够看到线粒体（产生能量的细胞器），甚至单个核孔复合物（控制进入细胞核的蛋白质簇）的组织。

Wang现在正在使用这种技术来成像被称为聚糖的碳水化合物，它存在于细胞表面，帮助控制细胞与环境的相互作用。这种方法也可以用于肿瘤细胞成像，使科学家能够看到这些细胞内蛋白质的组织方式，比以前容易得多。

研究人员设想，任何生物实验室都应该能够以低成本使用这种技术，因为它依赖于标准的、现成的化学品和普通设备，如共聚焦显微镜和手套袋，大多数实验室已经拥有或很容易获得。

“我们的希望是，有了这项新技术，任何传统的生物学实验室都可以在他们现有的显微镜上使用这种协议，使他们能够接近只有非常专业和昂贵的最先进的显微镜才能达到的分辨率，”王说。

这项研究的部分资金由美国国立卫生研究院、麻省理工学院院长研究生奖学金、美国国家科学基金会研究生研究奖学金、开放慈善事业、好企业、霍华德休斯医学研究所、Lisa Yang、Ashar Aziz和欧洲研究委员会资助。