一套新的方案将允许研究人员扩大他们观察病原体的方式。物理扩展生物研究样本进行成像的原理称为扩展显微镜。该技术使用水凝胶均匀地扩增细胞并疏散生物分子，为研究人员提供了一种使用标准化显微镜而不是昂贵的专用工具来可视化细节的方法。
卡内基梅隆大学赵生物光子学实验室由EberlyFamily职业发展生物科学副教授LeonZhu领导，是推进生物医学应用扩展显微镜的领导者。
MicroMagnify是赵实验室发布的最新协议，使他们的工作向前迈进了一步。该方案可在不变形的情况下扩展复杂的微生物细胞和感染组织，从而实现增强的高复数荧光成像。
超分辨率光学成像工具对于微生物学中了解细菌、真菌和病毒等微生物的复杂结构和行为至关重要。
“由于细菌细胞尺寸极小，通常为1微米或更小，可视化受感染的组织和病原体一直是一项挑战，”Zhao解释道。“开发一种经济有效的纳米级成像技术来可视化宿主组织内的病原体对于研究和临床应用都至关重要。”
传统的扩增方法很难分解金黄色葡萄球菌等细菌病原体厚而坚硬的细胞壁，以及保护细胞形状的真菌病原体的类似包膜。
然而，卡内基梅隆大学博士生张宇“Sharey”Cheng发现，热变性和酶混合物的混合可以有效地分解两种类型的细胞壁，并在不变形的情况下扩张微生物细胞和感染组织。该过程还保留了多种生物分子，并允许进行扩增后染色以进行成像。程是《高级科学》杂志上概述这一过程的论文的第一作者。
研究人员通常会在成像过程中使用荧光蛋白来追踪分子和细胞，但目前的协议限制仪器一次最多只能检测五个目标。赵说，他们通过MicroMagnify演示了如何使用一个样本对受病原体感染的哺乳动物细胞内的10-12个目标进行成像。
“MicroMagnify将生物分子和蛋白质保留在凝胶中，从而实现每轮使用不同试剂进行成像、标记和清洗的循环。理论上，这可以研究数百个目标，”赵补充道。
为了更好地理解MicroMagnify生成的复杂三维图像，赵实验室和弗吉尼亚梅森方济各健康中心的贝纳罗亚研究所(BRI)合作开发了ExMicroVR，这是一种沉浸式虚拟现实环境。借助低成本的VR耳机、GPU加速的计算机和互联网接入，科学家们可以虚拟地会面以探索生物数据。
BRI研究助理成员CarolineStefani帮助率先使用虚拟现实作为荧光图像的3D可视化工具，并为赵实验室准备了样品。Stefani和BRI前研究技术总监TomSkillman在比尔及梅琳达·盖茨基金会组织的大挑战年会上会见了赵。
“在这个空间里，他们可以看到细胞图像并与彼此的简单化身互动，”VR公司ImmersiveScience的创始人斯基尔曼说。“他们可以操纵细胞图像、指向、说话、定位感兴趣的区域，并参与有关细胞对入侵病原体的反应的讨论。”
接下来，Cheng正在使用MicroMagnify研究肠道中的微生物组。“微生物组非常复杂，它们与宿主器官的相互作用可以显着影响疾病的进展，例如肿瘤，”程说。
“通过MicroMagnify方法，我们可以解析这些微生物组的组成和信号传导，并探索它们与宿主器官的相互作用如何影响癌症等疾病的进展。这将使我们能够以纳米级精度分析微生物组及其信号蛋白，并识别特定群体这可能会导致疾病进展，或者相反，有助于预防疾病。”