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生物样本的颠覆性技术：扩展显微镜如何重塑医学诊断？
随着技术的进步，新的生物影像技术层出不穷，其中「扩展显微镜」（Expansion Microscopy, ExM）作为一种创新的样本准备工具，已经在生物医学研究界引起广泛关注。这种技术的核心理念是透过聚合物系统将细胞或组织样本中的微小结构扩大，进而以更广泛的显微镜技术进行影像捕捉。扩展显微镜的出现打破了传统显微镜的解析度限制，使得研究人员能够以较低的设备成本探索更精细的生物结构。
扩展显微镜可以将样本扩大至其初始尺寸的16倍，促使研究者以标准设备识别小结构。
技术原理
扩展显微镜的原理建立在将聚合物网络引入样本之上。该聚合物网络在化学反应作用下，会物理性扩张，增加生物结构的尺寸。这一过程有效避免了传统光学显微镜在解析度方面的限制，尤其是在探测到诸如突触囊泡这类直径仅为40-50纳米的微小结构时，其解析度仅达200纳米。
最重要的原则是扩展显微镜不需要专业设备，它的材料成本几乎可以忽略不计。
历史背景
扩展显微镜首次于2015年提出，随着多项研究的持续推进和技术的改进，至今已经应用于各种生物样本的分析。多年来，这种技术不断发展，尤其是在RNA分子的可视化和分子测序技术中表现尤为突出。亨德里克森等人在2022年进一步突破了扩展显微镜的局限性，开发了扩展揭示显微镜（Expansion-Revealing Microscopy），进一步扩大了其应用范畴。
应用领域
医学诊断
扩展显微镜为生物医学诊断带来的变革与潜力，无疑是其最引人注目的特点之一。传统的显微镜在检查细胞结构和生物分子方面存在局限，而透过扩展显微镜，医学研究人员能够在不必依赖高成本设备的情况下，对组织样本进行高解析度成像。近期对肾脏疾病和乳腺新生物病变的研究显示，应用扩展显微镜技术对于早期检测和诊断非常有效。
扩展显微镜提高了光学显微镜的解析度，使得医学影像学成为可能。
神经科学
在神经科学的研究中，扩展显微镜则是揭示神经回路结构的重要工具。这一技术能够更清晰地映射神经元和突触，并定位于分子层面，从而为揭示神经系统的工作原理提供了帮助。例如，通过对大脑样本的扩展，研究人员发现了与阿尔茨海默病有关的β-淀粉样蛋白的病理特征。
优势与挑战
扩展显微镜的主要优势在于它不需要昂贵的光学设备，且能在标准显微镜下达到高解析度影像。然而，这一技术也面临着许多挑战，包括样本准备过程中各步骤的潜在失败。例如，若细胞未能完全消化，将影响样本的均匀扩展，进而造成影像失真。同时，某些萤光标记在聚合过程中容易褪色，进一步增加了实验的难度。
尽管扩展显微镜的应用潜力巨大，但在其具体操作过程中仍需严谨把控。
随着技术的不断完善，扩展显微镜在生物医学领域的应用正在迅速扩展。未来，这种技术是否能够彻底改变我们对细胞及其功能的理解？将来的研究中，又会出现哪些新颖的应用呢？
