科幻电影向我们展示了缩小到蚂蚁大小，或者将蚱蜢放大到摩天大楼大小会是什么样子。虽然缩小射线可能永远不会成为科学现实，但由麻省理工学院的 Edward Boyden 领导的一个团队确实找到了一种方法，可以将生物组织膨胀到其原始大小的数倍——使研究人员能够比以往任何时候都更详细地观察身体内的微观结构。听起来可能很傻，但他们用来放大这种物质的正是使婴儿尿布湿后膨胀的同一种聚合物。
一个玩笑的开始
这种方法的想法始于一句随口说的俏皮话。Boyden 回忆说：“我们对现有的小物体成像方法感到沮丧，然后我们半开玩笑地说，‘干脆把所有东西都放大吧’。”
不久之后，一些团队成员开始翻阅关于可膨胀聚合物的研究论文，并决定尝试将这些技术应用于生物组织。团队开始使用一种称为聚电解质凝胶的材料，这种材料以其在水中膨胀的能力而闻名——这个特性对于任何换过湿尿布的人来说都不陌生。
然而，没有人尝试过是否可以将这种凝胶注入生物组织并使其也膨胀。在将凝胶注入一些经过化学处理的大脑组织样本后，研究人员通过加水触发了材料膨胀——它顺利地膨胀到了原始尺寸的 4.5 倍。
Boyden 解释说：“如果以前的光学显微镜只能看到 300 纳米大小的东西，那么现在，由于膨胀，它可以看到只有 70 纳米大小的东西。”
随着他们改进这种膨胀技术，研究人员开发了一种标记和处理过程，使他们能够准确地标记和绘制膨胀后的组织。他们将这个整体过程——标记、注射和膨胀——命名为“膨胀显微镜”。
准确膨胀
为了确定他们新的膨胀显微镜技术的准确性，团队使用共聚焦激光扫描显微镜扫描了一些未经处理的组织样本——这是一种强大的放大工具，可以使研究人员聚焦于几微米（千分之一毫米）大小的物体选定的深度。
然后，他们对样本进行了膨胀处理，并再次扫描。尽管组织的大小增加了 4.5 倍，但研究人员计算出其形状改变不到百分之一。这意味着他们的膨胀过程实际上等同于 4.5 倍的放大。
Boyden 说：“通过数学比较膨胀前后的图像，我们可以证明畸变极小。”结果刊登在本月《科学》杂志上。
大脑应用
既然团队对技术的精度有了把握，他们就将其应用于大脑组织。由于他们的膨胀过程使他们能够比以往任何时候都更近距离地“放大”微观结构，他们能够捕获脑细胞之间突触连接的详细图像。这些图像的分辨率非常高，甚至可以看到单个蛋白质分子从一个神经元飞到另一个神经元。
在可预见的未来，Boyden 和他的团队希望进一步提高膨胀系数，以获得更大的放大倍数。他们还希望将其他分析技术——包括识别 mRNA、DNA、蛋白质和其他生物分子的最新方法——整合到他们的膨胀显微镜过程中，以便我们能够比以往任何时候都更近距离地观察构成我们身体的化学物质。
这对患有阿尔茨海默病等神经退行性疾病的患者来说是个好消息，因为这将使医生能够深入了解神经衰变的细节。这类技术也可能帮助研究人员开发更具针对性的药物，并获得有用的新见解，了解现有治疗方法影响身体功能的具体机制。如果运气好的话，这意味着我们的精准治疗范围可能会经历自身的扩张。
