高分辨率成像与传统显微镜

麻省理工学院的研究人员已经开发出一种方法,使极端组织样本的高分辨率图像,在其他技术的成本的一小部分,提供类似的决议。

新技术依赖于扩大之前组织成像与传统的光学显微镜。两年前,麻省理工学院的团队表明,有可能扩大组织卷100倍,造成大约60纳米的图像分辨率。现在,研究人员已经表明,扩大组织第二个时间约25纳米成像可以提高分辨率。

这种级别的分辨率可以让科学家们看到,例如,复杂的模式结合在一起的蛋白质在大脑突触,帮助神经元相互通信。它还能帮助研究人员绘制神经回路,Ed Boyden说生物工程副教授,麻省理工学院大脑与认知科学系。

“我们希望能够跟踪完成大脑回路的接线,“Boyden说,这项研究的资深作者。“如果你可以重建一个完整的大脑电路,也许你可以做一个计算模型的生成复杂的决策和情绪等现象。因为你可以映射出生物分子产生电脉冲的细胞内和细胞间交换的化学物质,你可能模型的动态的大脑。”

这种方法也可以用于图像等现象的肿瘤细胞和免疫细胞之间的相互作用,检测病原体没有昂贵的设备,和身体的细胞类型映射。

双扩张

扩大组织样本,研究人员将它们嵌入在一个密集的、均匀聚丙烯酸凝胶的生成,一个非常吸水材料,也用于尿布。在凝胶形成之前,研究人员标签细胞蛋白质他们想要的图像,使用抗体绑定到特定目标。这些抗体熊“条形码”的DNA,进而连接到交联聚合物结合分子组成的可扩展的凝胶。研究人员然后分解蛋白质,正常组织在一起,使DNA条形码凝胶膨胀扩大彼此远离。

这些扩大样本可以用荧光标记探针结合的DNA条形码,并与商用共焦显微镜成像的分辨率通常限于几百纳米。

通过这种方法,研究者以前能够达到约60纳米的分辨率。然而,“单个生物分子比这小得多,说5纳米甚至更小,”鲍登说。“扩张显微镜的原始版本是用于许多科学问题,但不等于最高分辨率成像方法的性能如电子显微镜”。

在原来的扩张显微镜的研究中,研究人员发现,他们可以扩大组织超过100倍的体积减少的数量交联分子聚合物有序模式。然而,这使得组织不稳定。

“如果你降低交联密度、聚合物不再保留他们的组织在扩张过程中,“Boyden说,他是麻省理工学院的媒体实验室的成员和麦戈文脑研究所。“你失去的信息。”

相反,在他们的最新研究中,研究人员首次组织扩张后修改他们的技术,这样,他们可以创建一个新的凝胶膨胀组织第二次——一个方法,他们称之为“迭代扩张。”

映射电路

使用迭代扩张,研究人员能够形象组织分辨率约25纳米,这类似于通过高分辨率重建技术,如随机光学显微镜(风暴)。然而,扩张显微镜比较便宜和简单的执行,因为不需要专门的设备或化学物质,Boyden说。方法也快得多,因此兼容大规模三维成像。

扩张显微镜的分辨率还没有匹配的扫描电子显微镜(大约5纳米)或透射电子显微镜(约1纳米)。然而,电子显微镜是非常昂贵和不普及,与显微镜,研究人员很难将特定的蛋白质。

在《自然方法》的论文中,麻省理工学院的研究小组利用迭代扩展图像突触——神经元之间的连接,允许他们相互通信。在他们最初的扩张显微镜的研究中,研究人员能够形象脚手架蛋白,帮助组织数百名其他蛋白质中发现突触。新,提高分辨率,研究人员也能够看到finer-scale结构,如神经递质受体的位置位于表面的“突触后细胞在突触的接收方。

“我希望我们可以在未来的几年里,真正开始在地图上标出这些脚手架和信号蛋白的组织突触,”鲍登说。

扩张显微镜结合称为时间多路复用的一个新工具应有助于实现这个目标,他认为。目前,只有有限数量的彩色探针可用于图像不同的分子在组织样本。在时间多路复用,科学家可以从标签一个分子荧光探针,把一个图像,然后洗探针。这个可以重复很多次,每次都使用相同的颜色标签不同的分子。

“通过结合迭代扩张与时间多路复用,我们原则上可以基本上infinite-color,在大量三维纳米成像,”鲍登说。“事情现在变得非常激动人心,这些不同的技术可能很快就相互联系。”

研究人员还希望获得第三轮扩张,他们认为可以,原则上,使5纳米的分辨率。然而,现在该决议受到抗体用于标签的大小分子在细胞中。这些抗体大约10到20纳米长,所以分辨率低于,人员需要创建更小的标记或扩大的蛋白质彼此远离,然后交付扩张后的抗体。

这篇文章被转载材料所提供的麻省理工学院。注:材料可能是长度和内容的编辑。为进一步的信息,请联系引用源。

参考
Boyden et al .迭代扩张显微镜的自然方法(2017)doi: 10.1038 / nmeth.4261