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生物樣本的顛覆性技術：擴展顯微鏡如何重塑醫學診斷？
隨著技術的進步，新的生物影像技術層出不窮，其中「擴展顯微鏡」（Expansion Microscopy, ExM）作為一種創新的樣本準備工具，已經在生物醫學研究界引起廣泛關注。這種技術的核心理念是透過聚合物系統將細胞或組織樣本中的微小結構擴大，進而以更廣泛的顯微鏡技術進行影像捕捉。擴展顯微鏡的出現打破了傳統顯微鏡的解析度限制，使得研究人員能夠以較低的設備成本探索更精細的生物結構。
擴展顯微鏡可以將樣本擴大至其初始尺寸的16倍，促使研究者以標準設備識別小結構。
技術原理
擴展顯微鏡的原理建立在將聚合物網絡引入樣本之上。該聚合物網絡在化學反應作用下，會物理性擴張，增加生物結構的尺寸。這一過程有效避免了傳統光學顯微鏡在解析度方面的限制，尤其是在探測到諸如突觸囊泡這類直徑僅為40-50納米的微小結構時，其解析度僅達200納米。
最重要的原則是擴展顯微鏡不需要專業設備，它的材料成本幾乎可以忽略不計。
歷史背景
擴展顯微鏡首次於2015年提出，隨著多項研究的持續推進和技術的改進，至今已經應用於各種生物樣本的分析。多年來，這種技術不斷發展，尤其是在RNA分子的可視化和分子測序技術中表現尤為突出。亨德里克森等人在2022年進一步突破了擴展顯微鏡的局限性，開發了擴展揭示顯微鏡（Expansion-Revealing Microscopy），進一步擴大了其應用範疇。
應用領域
醫學診斷
擴展顯微鏡為生物醫學診斷帶來的變革與潛力，無疑是其最引人注目的特點之一。傳統的顯微鏡在檢查細胞結構和生物分子方面存在局限，而透過擴展顯微鏡，醫學研究人員能夠在不必依賴高成本設備的情況下，對組織樣本進行高解析度成像。近期對腎臟疾病和乳腺新生物病變的研究顯示，應用擴展顯微鏡技術對於早期檢測和診斷非常有效。
擴展顯微鏡提高了光學顯微鏡的解析度，使得醫學影像學成為可能。
神經科學
在神經科學的研究中，擴展顯微鏡則是揭示神經回路結構的重要工具。這一技術能夠更清晰地映射神經元和突觸，並定位於分子層面，從而為揭示神經系統的工作原理提供了幫助。例如，通過對大腦樣本的擴展，研究人員發現了與阿爾茨海默病有關的β-淀粉樣蛋白的病理特徵。
優勢與挑戰
擴展顯微鏡的主要優勢在於它不需要昂貴的光學設備，且能在標準顯微鏡下達到高解析度影像。然而，這一技術也面臨著許多挑戰，包括樣本準備過程中各步驟的潛在失敗。例如，若細胞未能完全消化，將影響樣本的均勻擴展，進而造成影像失真。同時，某些螢光標記在聚合過程中容易褪色，進一步增加了實驗的難度。
儘管擴展顯微鏡的應用潛力巨大，但在其具體操作過程中仍需嚴謹把控。
隨著技術的不斷完善，擴展顯微鏡在生物醫學領域的應用正在迅速擴展。未來，這種技術是否能夠徹底改變我們對細胞及其功能的理解？將來的研究中，又會出現哪些新穎的應用呢？
