1月13日，Nature 的 technology features 栏目发表 ‘Expansion microscopy’ turns ten: how a tissue-swelling method brought super-resolution imaging to the masses 一文，回顾了膨胀显微成像技术（Expansion Microscopy, ExM）技术十年的发展历程。![]()
图1 Nature 文章截图
科研人有自己的专属 “穷鬼套餐”。
2015年，来自麻省理工学院的神经科学家 Ed Boyden 和他的团队首次提出了ExM技术，并通过实验展示了其在显微镜下观察细胞细节的潜力。ExM的核心是通过让组织样本均匀膨胀突破传统显微镜的衍射极限，从而实现超分辨率成像。![]()
图2 十年前（2015年）Boyden团队首次在Science提出ExM
传统显微镜的分辨率大约在200纳米左右，而ExM可以通过膨胀样本，提供超分辨率的成像效果，达到接近纳米尺度的分辨率。膨胀后的样本体积通常是原来的100倍，像被充气的物体一样，组织几乎呈现出半透明状。ExM的一个重要优势是，它能够使用普通的荧光显微镜就实现纳米级别的成像分辨率，这使得这项技术大大降低了高端超分辨率显微技术的门槛。因此，ExM技术广泛普及，实验室预算有限的研究者也能使用。来自荷兰拉德堡德大学的细胞神经生物学家 Anne-Sophie Hafner 评价ExM时说：“这是给穷人用的超分辨率技术”。（It’s the super-resolution technique for poor people.）在过去的十年中，ExM技术得到了广泛的应用，全球已有超过700篇科研论文采用了这一技术。研究人员不仅不断改进ExM技术，使其更加多样化和精确，还将其与其他先进技术结合，用于探究蛋白质、核酸以及其他生物分子在空间中的组织和功能。通过膨胀样本，研究人员能够获得更加清晰的细胞结构图像，甚至可以达到单分子级别的精细观测。虽然它无法用于活细胞成像，也无法提供像某些高端技术那样的原子级细节，但它的可用性和成本优势使其成为了一项重要的工具。
Boyden和他的团队在2007年开始尝试用膨胀组织样本来实现纳米级成像，当时的想法看似异想天开。
实验初期，研究人员尝试了几种实验室现有的材料，但都没有成功。直到2012年，团队成员 Fei Chen 和 Paul Tillberg 找到了一种 “智能” 膨胀胶（‘smart’ gel）（与婴儿尿布相同的吸收材料），这种凝胶在水中膨胀后，能够让组织样本体积膨胀至原来的四倍以上，且样本变得透明，细胞内部的细节得以显现。科学发现常常充满了偶然性和惊喜。Chen回忆道，当时看到样本膨胀的过程时，感觉就像是 “魔法”。这个突破为ExM技术的诞生奠定了基础。之后，研究人员继续优化技术，最终确定了一种稳定、可重复的四步流程（见下图）：
1 Anchoring agent binds to the molecule of interest.
锚定剂与目标分子结合；
2 A polymer is created and attached to the anchors.
3 Other cell elements are removed by digestion. 4 The gelling process causes the cell to expand. The result is that closely spaced objects can be distinguished more clearly.凝胶化过程使细胞膨胀，因此可以更清晰地分辨间距较近的结构
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ExM的核心流程包括将样本固定、锚定目标分子、加入智能凝胶原料并促使组织膨胀。在这一过程中，荧光探针（fluorescent probes）帮助揭示样本中的分子细节。整个过程通常需要一到两天完成，且操作步骤可以在Boyden维护的网站上找到。ExM的简便性使得全球范围内的研究人员都能够掌握这一技术，即使在资源相对匮乏的地区（如文中列举的乌拉圭和加纳），ExM也已成为一种有价值的研究工具。
自问世以来，ExM技术正不断优化技术、扩展边界，以应对不同的挑战。
Boyden强调，ExM的核心内容保持不变，但各个步骤可以根据需要进行调整，这种灵活性使得ExM能够适应不同的研究需求。例如，华盛顿大学的 Joshua Vaughan 改进了荧光蛋白和抗体的使用，使得这一方法更简便快捷。其他研究团队也通过简化协议提升了ExM的实用性。此外，瑞士的 Paul Guichard 和 Virginie Hamel 通过优化凝胶化学和固定过程，开发了一个适用于细胞器超微结构研究的变体——U-ExM（超微结构膨胀显微镜）。该方法成功揭示了微藻细胞骨架（cytoskeletal）的奇异形状，并在全球不同水域采样中揭示了生态变化的影响。近期的技术进展进一步推动了ExM的边界。2024年10月，德国哥廷根大学医学中心 Rizzoli 团队开发的 “一步纳米级扩展”（ONE）方法，通过AI算法结合成千上万张荧光图像，能够以接近原子级的分辨率重建分子结构。2021年，Boyden团队结合ExM开发了 “扩展测序” 技术（expansion sequencing）。该技术不仅可以生成小鼠大脑中的基因表达空间图谱，还成功应用于癌症组织活检，揭示免疫细胞与肿瘤细胞相互作用中的基因活动变化。ExM技术的一个重要特点是，它不仅仅局限于单一的生物学数据，而是能够将不同类型的数据（如分子信息、结构信息等）结合起来，提供更全面的视野。
随着ExM进入第二个十年，越来越多的研究者和企业开始将其应用于临床和商业领域。
研究人员在基因疗法、视网膜细胞治疗等领域利用ExM优化治疗策略。业界，Panluminate 和 Expansion Technologies 等公司正在开发硬件和服务，以进一步推动ExM的应用，尤其是在大脑连接组学的研究中。同时，Magnify Biosciences推 出的ExM试剂盒使得研究者能够更加方便地进行ExM实验，降低了技术门槛。ExM还展示了其在诊断领域的潜力。例如，通过ONE显微镜技术，研究人员能够在帕金森病患者的脊髓液中区分蛋白质聚集体（protein aggregates），从而为早期诊断和疾病监测奠定基础。Boyden 和 Yongxin Zhao 团队也通过ExM技术在人体活检样本中识别并分类乳腺癌和肾病综合征等疾病，显示出ExM在疾病诊断中的应用潜力。尽管ExM在诊断领域的应用尚处于起步阶段，但随着技术的进一步发展，它可能会成为一个革命性的工具，帮助提高诊断的准确性，尤其是在早期发现疾病和评估疾病进展方面。原文链接：
https://www.nature.com/articles/d41586-025-00059-6
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