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膨胀显微技术的发展及应用

电子显微学报 2020年第2期39卷 224-231页

作者：裴媛张晓琳李慧艳魏恒勇刘占军吴振刚华北理工大学药学院河北唐山063210 唐山博亚树脂有限公司河北唐山063210 华北理工大学材料科学与工程学院河北唐山063210

普通光学显微镜受光源衍射现象导致分辨率受限,难以对生物样本进行高分辨率成像。近些年来,发展了一种利用光学显微镜结合膨胀水凝胶的超分辨率光学显微技术——膨胀显微技术(expansion microscopy,ExM)。该技术采用可膨胀的水凝胶均匀... 详细信息

普通光学显微镜受光源衍射现象导致分辨率受限,难以对生物样本进行高分辨率成像。近些年来,发展了一种利用光学显微镜结合膨胀水凝胶的超分辨率光学显微技术——膨胀显微技术(expansion microscopy,ExM)。该技术采用可膨胀的水凝胶均匀地物理拓展生物样本来实现超分辨率。ExM允许在常规光学显微镜下对生物样品进行纳米级成像,包括成功可视化蛋白质、核酸等生物分子,并具有用于临床样本进行病理检查的潜力。在本综述中介绍了ExM的各种方案及其在生物医学领域的应用。

关键词：膨胀显微技术超分辨率显微技术蛋白质 RNA 病理学

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肿瘤细胞外泌体的膨胀显微技术研究

肿瘤细胞外泌体的膨胀显微技术研究

作者：袁江南东南大学

学位级别：硕士

肿瘤细胞外泌体是由肿瘤细胞所分泌的腔内囊泡,它携带有核酸、蛋白质等多种具有生物活性的物质,在肿瘤细胞增殖与转移过程中发挥着非常重要的作用。受限于肿瘤细胞外泌体的纳米级大小和高度异质性,人们仍然缺乏对其表观形态和生物学特... 详细信息

肿瘤细胞外泌体是由肿瘤细胞所分泌的腔内囊泡,它携带有核酸、蛋白质等多种具有生物活性的物质,在肿瘤细胞增殖与转移过程中发挥着非常重要的作用。受限于肿瘤细胞外泌体的纳米级大小和高度异质性,人们仍然缺乏对其表观形态和生物学特征的深入认知。膨胀显微镜技术（Ex M）是一种将生物样本聚合于可溶胀凝胶之中,从而对样本进行物理放大以提高成像分辨率的方法。在Ex M出现之前,科学家已经发明了几种可以突破衍射极限的超分辨率成像技术,其中单分子定位显微镜（SMLM）通常具有最佳的空间分辨率（20-50 nm）。然而,由于外泌体尺寸过小,Ex M或SMLM仍然无法提供足够的分辨率。因此,本文提出了一种结合了Ex M和SMLM的肿瘤细胞外泌体成像方法（膨胀超分辨显微技术,记为Ex SMLM）,实现了肿瘤细胞外泌体的膨胀以及超分辨成像,空间分辨率＜10 nm。与SMLM类似,Ex SMLM的成像质量极大依赖于荧光探针的光学性能。本文首先提出了一种基于超小型二氧化硅纳米球的超分辨成像探针,用于肿瘤细胞外泌体的SMLM成像。该超分辨探针通过将荧光团缀合到超小型二氧化硅纳米球上制成,它具有适用于长时间SMLM成像的优良特性,例如持续的荧光开关行为和比荧光团本身更高的定位精度（20-25 nm）。实验中,我们将人表皮生长因子受体2（HER2）的适配体连接到该超分辨成像探针上,成功实现了对高表达HER2的肿瘤细胞外泌体的精确定位和SMLM超分辨成像。随后,我们研究了肿瘤细胞外泌体的Ex SMLM显微技术。在该技术中,我们首先用免疫荧光法对肿瘤细胞外泌体的蛋白质标志物进行荧光标记,随后将外泌体聚合于可溶胀的聚电解质凝胶之中。凝胶的亲水特性会使荧光标记的外泌体发生各向同性的线性物理扩展,实验中获得的膨胀倍数为4.2。我们进一步地对膨胀后的外泌体进行SMLM成像,将肿瘤细胞外泌体的成像空间分辨率提升至了7 nm。常规Ex M实验中,荧光染料会流失或者遭到破坏,从而影响最终的成像质量。我们使用超小型二氧化硅纳米探针代替荧光抗体,有效提高了肿瘤细胞外泌体的Ex SMLM成像质量。综上,通过先膨胀再进行SMLM成像的方式,Ex SMLM技术极大地提高了肿瘤细胞外泌体的成像分辨率。这为肿瘤细胞外泌体相关的疾病机制可视化研究提供了一个重要的新技术手段。

关键词：肿瘤细胞外泌体膨胀显微技术单分子定位显微镜超小型二氧化硅纳米探针

基于样品膨胀的超高分辨显微成像及其在生命医学中的应用

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中国细胞生物学学报 2024年第6期46卷 1070-1080页

作者：曹雅婷陈鑫细胞应激生物学国家重点实验室厦门大学生命科学学院厦门361102

膨胀显微技术(expansion microscopy,ExM)是一种基于样品膨胀的新型超分辨成像策略,其能够突破传统光学成像的分辨极限,实现对细胞结构和大分子复合物的纳米精度观测。更重要的是,与其他超分辨成像技术相比,膨胀显微成像不局限于单一显... 详细信息

膨胀显微技术(expansion microscopy,ExM)是一种基于样品膨胀的新型超分辨成像策略,其能够突破传统光学成像的分辨极限,实现对细胞结构和大分子复合物的纳米精度观测。更重要的是,与其他超分辨成像技术相比,膨胀显微成像不局限于单一显微镜仪器,可以适用于从细胞到组织,甚至小型生物个体等多种研究对象,凸显其在生命医学中的重要价值。该文将从膨胀显微技术的发展简史、主要类型、应用现状及未来展望四个方面进行讨论。

关键词：膨胀显微技术超分辨成像信号转导病理诊断

基于新型荧光共价键染色的生物样品超分辨成像

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基于新型荧光共价键染色的生物样品超分辨成像

作者：王琪苏州大学

学位级别：硕士

近年来,膨胀显微技术得到快速发展,为观测生物超微结构提供了新的通路。膨胀显微技术通过将生物样品锚定于可膨胀的三维水凝胶网络中,物理膨胀生物样品,让组织精细结构得到放大,使普通光学显微镜亦能实现超分辨成像。为了实现对生物样... 详细信息

近年来,膨胀显微技术得到快速发展,为观测生物超微结构提供了新的通路。膨胀显微技术通过将生物样品锚定于可膨胀的三维水凝胶网络中,物理膨胀生物样品,让组织精细结构得到放大,使普通光学显微镜亦能实现超分辨成像。为了实现对生物样品结构的可视化,生物学上常对样品进行形态学荧光染色。荧光共价键染色是2020年新开发的适用于膨胀显微技术的形态学染色技术。它利用荧光团对生物组织上的某些特定官能团进行共价键标记,从而揭示生物组织的一般形态学特征。然而,目前荧光共价键染色在各类组织中的成像效果研究还比较有限。而且,适用于膨胀显微技术的共价键染色种类较少,有待进一步开发。针对以上问题,本论文开展了如下工作:（1）用膨胀显微技术与共价氨基染色法结合,对肾、心、肝、脾、肺等多个组织进行超分辨显微结构成像。着重对肾脏组织的超微结构进行成像,并对其病理变化进行了探测,验证了该成像方法的实用性与通用性。（2）运用膨胀显微技术与共价氨基染色法结合,建立了一种新的观测和识别肾小球内各类细胞的方法。该方法在三维组织成像基础上,对肾小球内固有细胞（足细胞、内皮细胞和系膜细胞）的构成比例进行了研究。该方法实现了三维观测肾小球内部细胞的种类。（3）开发出了两种新型化学共价键染色方法,分别用于标记组织上丰富的羧基与酪氨酸残基,拓展了现有的共价键染色工具集。对这两类新染色方法在各类组织中的染色样式进行了探究。验证了这两种新型染色方法在各个组织上的成像效果。

关键词：共价键染色膨胀显微技术超分辨成像细胞识别

膨胀显微成像中膨胀系数与均匀性的测量与分析

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膨胀显微成像中膨胀系数与均匀性的测量与分析

作者：朱晨苏州大学

学位级别：硕士

自2015年来,膨胀显微技术作为一种新型的超分辨成像技术,凭借其不依赖昂贵光学仪器的优势越来越受到科研人员的关注。膨胀显微技术将生物样本锚定在可膨胀的水凝胶网络中,通过水凝胶在低离子强度溶液中的膨胀,达到将样本内部结构细节放... 详细信息

自2015年来,膨胀显微技术作为一种新型的超分辨成像技术,凭借其不依赖昂贵光学仪器的优势越来越受到科研人员的关注。膨胀显微技术将生物样本锚定在可膨胀的水凝胶网络中,通过水凝胶在低离子强度溶液中的膨胀,达到将样本内部结构细节放大,从而在普通光学显微镜下即可实现超分辨成像。在膨胀过程中,膨胀系数与膨胀均匀性的测量对最终成像结果的定量分析不可或缺。然而,现有的测量方法往往不够精确或需要复杂的步骤。因此,本论文提出了一种新的方法来测量膨胀系数与膨胀均匀性。与其他方法相比,该方法不需要对样本进行荧光标记,并且只需使用明场光学显微镜进行测量。本文使用肾小球作为标记物,通过测量膨胀前后肾小球的截面面积与轮廓扭曲变化情况,计算出准确的膨胀系数并定量表征膨胀的均匀性。本文的主要研究内容如下:首先,本文分别在宏观层次、亚细胞层次与超精细结构层次下进行了膨胀系数测量的实验,将肾小球的膨胀系数测量结果与其他测量方法的结果进行对比,探究其准确程度。在宏观层次下,本文验证了肾小球膨胀系数测量结果比宏观水凝胶大小测量的结果更加准确。在亚细胞层次与超精细结构层次下,本文分别选择细胞的波形蛋白骨架与肾小球的足突宽度来进行测量,证明了肾小球膨胀系数测量方法的准确性、实用性与便捷性。其次,本文运用肾小球探究了在高温蛋白质变性和蛋白酶消化两种主要的膨胀实验流程中膨胀的均匀性。将肾小球与生物样本共同嵌入水凝胶中,对其膨胀前后结构内测量的距离进行了均方根（Root Mean Square,RMS）误差分析。实验结果表明肾小球与亚细胞结构的距离均方根误差趋势吻合,证明肾小球可以用来评判膨胀的均匀性。最后,本文研究了上述基于肾小球的膨胀系数及均匀性测量方法在三维超分辨荧光成像中的应用。很多生物组织与结构并不局限于二维平面,而是分布在三维空间中。本文使用膨胀显微技术对小鼠精子进行三维超分辨成像,通过使用肾小球对膨胀系数与膨胀均匀性进行测量与分析,为膨胀后小鼠精子的形态学图像分析提供了帮助。

关键词：膨胀显微技术肾小球膨胀系数膨胀均匀性三维超分辨荧光成像