陈兴课题组开发基于点击化学的膨胀显微成像技术

陈兴课题组开发基于点击化学的膨胀显微成像技术

2020年12月7日，北京大学化学与分子工程学院、生命科学联合中心陈兴课题组在《自然-方法》（Nature Methods）杂志在线发表了题为“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、便捷的策略对各种生物分子进行超分辨荧光成像。

“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进行分辨。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。

膨胀显微成像技术（Expansion microscopy，ExM）则从样品制备入手，绕过了光学衍射极限，实现了让超分辨荧光成像“飞入寻常百姓家”。整个流程中首先将丙烯酸盐充满整个生物样品内部，并使其聚合形成凝胶。凝胶吸水膨胀后，原本临近的生物分子被拉远，但相对位置保持不变。因此利用常规的荧光显微镜对膨胀后的样品进行成像，同样可实现超分辨的成像效果。然而目前的ExM技术缺乏一种普适性的在凝胶中锚定生物分子的策略，因此其应用范围局限于蛋白质、核酸，无法对脂质、聚糖以及小分子等生物分子进行成像。

Click-ExM的工作流程（以炔基标记的生物分子为例）。

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，最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。

作者采用了多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，其中首次实现了对多种脂质、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，作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。

陈兴为该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。该工作中的部分化学探针、细胞和组织样品制备分别在北京大学雷晓光、王世强、饶毅教授课题组进行。该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、生命科学联合中心和北京分子科学国家研究中心的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41592-020-01005-2