Systematic understanding of biological systems necessitates investigating the entire organism at subcellular levels, but this has not yet been achieved. Here, we demonstrate whole-ExM, which enables three-dimensional nanoscale imaging of anatomical features across the entire vertebrate by whole-body staining with NHS-ester fluorophores and physically expanding the specimens four-fold. To accomplish this, we first optimize the fluorophore selection and labeling procedure to visualize a broader range of anatomical structures. We then develop an expansion protocol suitable for whole-body vertebrates having calcified body parts. Through this process, we successfully revealed the nanoscale details of diverse organs, which have corresponding organ counterparts in humans, over the intact organismal-level of specimens. Finally, we also verified that whole-ExM is compatible with target-specific fluorescent labeling methods, and its resolution is high enough to exhibit a wide range of structures that can be imaged only with electron microscopy. We believe that whole-ExM will pave the way for new developments in biology and medicine with its outstanding performance.
전-유기체 단계의 생물학적 시스템을 나노 수준에서 시각화하는 것은 생명체와 생명 현상을 온전히 이해하는 데 필수적이지만 아직 달성되지 못했다. 본 논문 연구에서, 우리는 최초로 척추동물모델 전체의 해부학적 특징을 3차원으로, 나노 수준으로 관찰할 수 있는‘전-팽창현미경법(whole-ExM)’이라는 바이오이미징 기법을 개발하고 그 성능과 응용 가능성을 입증했다. 먼저, 유기체 내의 광범위한 해부학적 구조를 시각화하기 위해 생체 조직의 화학적 특성을 이용하여 단백질을 한꺼번에 염색하는 비특이적 형광 표지 기법을 개발했다. 또한, 하이드로젤을 이용하여 시료를 물리적으로 팽창시키는 팽창 현미경법을 적용해 광학 현미경만으로 초고해상도 이미징을 달성했다. 이를 위해 고등 척추동물 내부의 석회화된 조직과 뼈를 온전히 팽창시키기 위한 효과적인 무기물 제거 방법을 고안했다. 우리는 개발된 전-팽창현미경법을 고등 척추동물 표본에 적용하여 유기체 내부의 복잡한 생체 구조를 나노 수준의 해상도로 성공적으로 관찰했다. 마지막으로, 본 기술이 표적-특이적인 기존 형광 표지 기법과 호환될 수 있으며, 그 해상도가 전자 현미경으로만 관찰할 수 있는 구조를 효과적으로 시각화할 수 있을 만큼 높다는 것을 입증했다. 전-팽창현미경법은 항체나 유전자 조작, 시료 절편 등의 기술을 필요로 하지 않으며, 온전한 생체 시스템 내부의 유기적 관계를 관찰하기에 적합한 기술이라는 점에서 생물학 및 의학 분야에서 유용한 도구로 활용될 것으로 기대된다.
