北京大学成功开发新型显微成像技术_显微成像技术

北京大学成功开发新型显微成像技术

2020/12/9 16:34:51 18971: 来源：北京大学化学与分子工程学院

摘要：基于点击化学的膨胀显微成像技术(Click-ExM)，提供了一种通用、便捷的方法对各种生物分子进行超分辨荧光成像。

　　【仪表网仪表研发】显微光学成像，通常也称"光学显微成像"，或"光学显微术"(Optical Microscopy，或Light Microscopy)，是指透过样品或从样品反射回来的可见光，通过一个或多个透镜后，能够得到微小样品的放大图像的技术。所得图像可以通过目镜直接用眼睛观察，也可以用感光板或数字化图像探测器如CCD、CMOS进行记录，还可以在计算机上进行显示和分析处理。

　　光学显微术对无色透明样品无法直接成像的原因在于样品不改变照明光的强度分布，但实际上这些样品由于厚度和折射率的差异会改变照明光场的相位分布，只是由于人眼和探测器仅对强度敏感，不能直接记录相位信息。

　　因此，假如能把照明光场经过样品后的相位改变量的分布转化成光强分布，就能够实现对这种样品(通常称为"相位"样品)的成像，这种技术称为"相衬法"，用于光学显微术中则形成了各种"相衬显微术"。

　　“工欲善其事，必先利其器”。探寻生命的奥秘，首先需要看得足够清楚。然而由于光学衍射极限的限制，常规的荧光显微镜难以对精细的亚细胞结构和生物分子进行分辨。近年来，科学家们通过对光学系统进行调制，开发出多种超分辨荧光成像技术，使人们能够看清在200 nm以内的生物分子。不过这些技术通常依赖于昂贵的仪器和精密的算法，而且在组织样品中的成像性能一般。

　　近日，北京大学化学与分子工程学院、北大合成与功能生物分子中心、北大-清华生命科学联合中心陈兴课题组在Nature Methods杂志以Article形式在线发表了题为“Click-ExM enables expansion microscopy for all biomolecules”的研究论文，报道了基于点击化学的膨胀显微成像技术(Click-ExM)，提供了一种通用、便捷的方法对各种生物分子进行超分辨荧光成像。

　　Click-ExM的设计理念是利用带有生物正交官能团(如叠氮、炔基等)的化学探针对细胞进行代谢标记，通过点击化学连接上生物素，再基于生物素与链霉亲和素相互作用，终将被标记的生物分子转变为偶连荧光分子的链霉亲和素。偶连荧光分子的链霉亲和素在其中起到了三方面作用：识别生物分子、报告荧光信号、锚定到凝胶中。

　　研究者采用了18种含有生物正交官能团的化学探针，对脂质、聚糖、蛋白质、核酸、小分子等多种生物分子进行click-ExM成像，并将该技术应用于原代细胞和脑组织切片等生物体系中，其中实现了对多种脂质、聚糖以及小分子的ExM成像。同时，由于click-ExM技术与传统的ExM流程兼容，因此可与多种现有的标记方法相结合，实现多色荧光成像。

　　此外，由于样品膨胀会稀释荧光分子的浓度，研究者还利用链霉亲和素的多价相互作用，开发出信号放大策略，有助于成像低丰度的生物分子。值得一提的是，click-ExM技术中各步均为模块化设计，且大部分化学试剂可商业化购买，不需要繁琐的化学合成和步骤优化，因此有希望被广泛应用于后续的生物学研究中。

　　总之，该工作利用了前沿的化学生物学手段，建立了一种通用型的ExM技术：click-ExM，并拓展了其在超分辨荧光成像领域中的应用。

　　据悉，陈兴教授为本研究论文的通讯作者，北京大学化学与分子工程学院2016级博士研究生孙德恩为第一作者。