前沿：突破极限！Science封面，实现纳米级完整生物样本的荧光成像

文章来源：iNature

近年来，基于水凝胶的组织清除和扩张技术的进步改变了完整生物标本的光学纳米显微镜，使细胞和亚细胞结构的成像与分子对比成为可能。然而，现有的高分辨率荧光显微镜受到物镜到标本距离的物理限制，这阻碍了不进行物理切片的整片标本的研究。

2025年10月16日，伊利诺伊大学芝加哥分校高瑞轩等团队在Science 以封面的形式发表题为“Mesoscale volumetric fluorescence imaging at nanoscale resolution by photochemical sectioning”的研究论文，为了应对这一挑战，该研究开发了一种光化学策略，用于对标本进行空间精确切片。

通过将连续光化学切片与点阵光片成像和PB级（petabyte-scale，1 PB = 1000 TB）计算相结合，研究人员以纳米级分辨率对整个小鼠嗅球的轴突和髓鞘进行了成像和重建。对有髓鞘和无髓鞘轴突的嗅球分析揭示了神经退行性脑中轴突变性和去髓鞘/髓鞘异常的独特模式，强调了使用这种方法进行PB级到EB（exabyte-scale，1 EB = 1000 PB）级超分辨率研究的潜力。

高分辨率光学显微镜中使用的物镜工作距离短，限制了以纳米级分辨率深入到大型标本中的生物结构成像。基于水凝胶的清除和膨胀，在提高光学透明度和有效分辨率的同时，进一步推动大型生物标本超出物镜的范围。机械切片可以规避这一限制，但通常会引入扭曲、撕裂和损失，使大规模、高保真度的重建复杂化，特别是在水凝胶嵌入和扩展的样品中。这些限制阻碍了对一个完整的标本（如哺乳动物的大脑）进行连续的纳米级成像。

这张小鼠嗅球的三维效果图展示了轴突和髓鞘，它们是传递气味信息的神经线路。数据集是通过光化学切片（VIPS）的体积成像获得的，VIPS交替进行光驱动切片和块上成像，以建立一个无缝的体积。VIPS可以实现器官范围内的纳米级重建，以定量绘制完整组织中的连通性和分子景观（图源自Science ）

为了实现VIPS（volumetric imaging via photochemical sectioning，通过光化学切片的体积成像），研究人员开发了一种高吸水性水凝胶，其中含有响应紫外线激发的光可切割交联剂。在这种水凝胶中包埋和膨胀的生物标本在单光子或多光子照射下都能快速、完全地光降解。

块上点阵光片显微镜（LLSM）和光片光化学切片的交替循环允许在两个完整的小鼠嗅球（一个是野生型的，一个是神经退行性的）上以纳米级分辨率进行中尺度体积成像。嗅球范围的分析显示，在较小的体积中无法检测到解剖异质性，包括神经退行性球的轴突向心变性模式。

VIPS概览（图源自Science ）

总之，VIPS通过耦合迭代光化学切片和高分辨率光学成像来克服工作距离限制。这种非接触式工艺与各种基于水凝胶的清除和膨胀化学试剂兼容，并避免了机械切片固有的失真、样品损失和技术限制。该方法可以很容易地集成到现有的显微镜中，实现连续、自动采集，实现几乎无限大小的整片标本的纳米级荧光成像。与LLSM和可扩展计算相结合，VIPS有效地消除了物理样本大小作为超分辨率体积成像的实际障碍，允许在PB级和更高级别上对完整样本进行细胞和亚细胞研究。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9109