新しい拡大顕微鏡法が研究の影響を拡大

拡大顕微鏡法の革新により、細胞やその他のナノスケール構造の内部を前例のない観察で観察できるようになりました。 この進歩は、神経科学、病理学、その他多くの生物学および医学分野への将来の洞察を提供するのに役立つ可能性があります。

紙面ではNature Biotechnology誌に掲載された「Magnifyは拡大顕微鏡のための普遍的な分子アンカー戦略である」とカー​​ネギーメロン大学、ピッツバーグ大学、ブラウン大学の共同研究者らはMagnifyと呼ばれる新しいプロトコルについて説明している。

「Magnify は、バイオテクノロジー コミュニティにとって強力で利用しやすいツールとなり得る」と、エバリー ファミリー キャリア開発生物科学准教授の Yongxin (Leon) Zhao 氏は述べています。

Zhao のバイオフォトニクス研究所は、拡大顕微鏡として知られるプロセスでサンプルを物理的に拡大することにより、生体サンプルの超解像度イメージングを可能にする分野のリーダーです。 このプロセスを通じて、サンプルは膨潤性ヒドロゲルに埋め込まれ、均一に膨張して分子間の距離が広がり、より高い解像度で観察できるようになります。 これにより、以前は高価な高解像度イメージング技術を使用しないと観察できなかったナノスケールの生物学的構造が、標準的な顕微鏡ツールで観察できるようになります。

Magnify は拡大顕微鏡の一種で、Zhao 氏のチームが発明した新しいヒドロゲル配合を研究者が使用できるようにするもので、生体分子のスペクトルを保持し、さまざまな組織へのより広範な適用を提供し、膨張率を直線的に最大 11 倍まで増加させます。元の体積の約 1,300 倍。

「私たちは拡大顕微鏡法における長年の課題のいくつかを克服しました」とZhao氏は語った。 「Magnify の主なセールス ポイントの 1 つは、タンパク質、核酸、炭水化物などの組織の生体分子を拡張サンプル内に保持するための普遍的な戦略です。」

Zhao氏は、以前のプロトコルでは組織を結合していたさまざまな生体分子を除去する必要があったため、さまざまな生物学的構成要素を無傷に保つことが重要だと述べた。 しかし、これらの分子には研究者にとって貴重な情報が含まれている可能性があります。

「以前は、細胞を実際に拡張可能にするには、タンパク質を消化するために酵素を使用する必要がありました。そのため、最終的には、目的のタンパク質の位置を示すラベルが付いた空のゲルができました。」と彼は言いました。 新しい方法では、分子はそのままに保たれ、単一のサンプルで複数の種類の生体分子を標識できます。

「以前は、単一選択の質問があるようなものでした。タンパク質を標識したい場合は、それがバージョン 1 のプロトコルになります。核を標識したい場合は、別のバージョンになります」と Zhao 氏は言います。 「同時イメージングを実行したい場合、それは困難でした。今では、Magnify を使用して、タンパク質、脂質、炭水化物などのラベルを付ける複数のアイテムを選択し、それらを一緒にイメージングできるようになりました。」

研究室の研究者であるアレクサンドラ・クリマス氏（ポスドク研究員）とブレンダン・ギャラガー氏（博士課程学生）がこの論文の最初の共著者となった。

「これは標本を高解像度で画像化するためのアクセス可能な方法です」とクリマス氏は述べた。 「従来は、高価な機器と特別な試薬、トレーニングが必要でした。しかし、この方法は多くの種類のサンプル前処理に広く適用でき、生物学研究室にあるような標準的な顕微鏡で観察できます。」

神経科学の背景を持つギャラガー氏は、彼らの目標は、ツールキットの一部として Magnify を採用することで恩恵を受ける研究者のために、プロトコルに可能な限り互換性を持たせることであると述べた。

「私たちが心に留めようとした重要な概念の 1 つは、研究者がいる場所で研究者と会い、プロトコルの変更をできるだけ少なくしてもらうことでした」とギャラガー氏は語った。 「これは、さまざまな組織タイプ、固定方法、さらには保存および保存された組織でも機能します。完全に拡大を念頭に置いて実験を再設計する必要がないという点で、非常に柔軟です。すでに持っているものでも機能します。」 。」

ピッツバーグ大学およびピッツバーグがん研究所の生物イメージングセンターの創設者兼所長であるサイモン・ワトキンスなどの研究者にとって、新しいプロトコルが保存された組織切片を含む幅広い種類の組織と互換性があるという事実は重要です。重要。 たとえば、ほとんどの拡大顕微鏡法は脳組織に対して最適化されています。 対照的に、Magnify は、人間のさまざまな臓器と、乳房、脳、結腸などの対応する腫瘍から採取したサンプルでテストされました。

「密度の高い成分と密度の低い成分を含む組織があるとします。これにより、以前は等長的に拡張しなかった組織が回避されます」とワトキンス氏は述べた。 「レオンは、このプロトコルをアーカイブされた組織でも機能させるために熱心に取り組んできました。」

カーネギーメロン大学の生物医工学助教授であるシー (チャーリー) レンは、肺組織とその形態形成と病因をモデル化する方法を研究しています。 彼の研究の一部には、人間の気道の粘液を除去する機能を有する運動性繊毛の研究が含まれます。 直径 200 ナノメートル、長さわずか数マイクロメートルの構造は、電子顕微鏡などの時間のかかる技術なしでは観察できないほど小さすぎます。 レン氏のチームは、Zhao氏の研究室と協力して、臨床的に関連する繊毛の病理を視覚化するMagnifyの能力を検証するために、繊毛の超微細構造と機能に特定の欠陥を備えた肺オルガノイドモデルを開発、提供した。

「最新の拡大技術を使用すると、これらの肺組織を拡大し、通常の顕微鏡でも運動繊毛の超微細構造を確認できるようになり、これにより基礎的研究と臨床的研究の両方が迅速化されるでしょう」と同氏は述べた。

研究者らはまた、遺伝子変異があることが知られている患者特有の肺細胞の繊毛の欠陥を観察することもできた。

「肺組織工学コミュニティは、私たちが扱う組織システムを特徴付けるためのより良い方法を常に必要としています」とレン氏は語った。 同氏は、この研究は重要な第一歩であり、趙氏の研究室との共同研究がさらに改良され、組織バンクで見つかった病理サンプルに適用されることを期待していると付け加えた。

最後に、Magnify で使用され、Zhao の研究室で開発されたヒドロゲルは、非常に壊れやすく、プロセス中に破損を引き起こしていた以前のものよりも堅牢です。

「私たちはこの技術を開発して、コミュニティがもっと利用しやすいようにしたいと考えています」と彼は言いました。 「これにはさまざまな方向性が考えられます。この種の組織拡張技術を基礎科学に使用することに多くの関心が集まっています。」

カーネギーメロン大学生命科学のマクスウェル・H・コナン教授とグロリア・C・コナン教授であるアリソン・バースは、学習中のシナプスの接続性を研究しています。 同氏は、新しい手法によってもたらされる広範な応用は研究者にとって恩恵となるだろうと述べた。

「脳は、これらの超解像技術を活用するのに最適な場所です」と、いくつかの研究でZhao Labと共同研究しているBarth氏は述べた。 「顕微鏡法は、さまざまな脳状態にわたるシナプスの表現型解析や分析に有益です。この論文の大きな進歩の 1 つは、この方法がさまざまな種類の組織標本に適用できることです。」

その他の研究著者には、カーネギーメロン大学の Piyumi Wijesekara、Emma F. DiBernardo、Zhangyu Cheng が含まれます。 ブラウン大学のシンダ・フェキル氏とクリストファー・I・ムーア氏。 ピットのドナ・B・シュトルツ。 ピットおよび退役軍人管理局のフランカ・カンビ氏。 ワシントン大学のスティーブン・L・ブロディ氏とアムジャド・ホラニ氏。

この研究は、カーネギー メロン、カウフマン財団、DSF 慈善財団、米国国防総省 (VR190139)、国立衛生研究所 (DP2 OD025926-01 および NIH RF1 MH114103)、空軍科学研究局 (FA9550) の支援を受けました。 -19-1-13022629)、NeuroNex (GR5260228.1001)、ブラウン大学。

- このプレスリリースはカーネギーメロン大学から提供されました。