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進入學者用鉀離子放大果蠅腦6.4萬倍 突破3D染色光學成像極限
中研院應用科學研究中心研究員陳壁彰（右）與該院細胞與個體生物學研究所研究副技師林子暘合作，開發出超高解析度的光學成項技術，讓果蠅腦放大6萬4千倍，同時保有多色螢光標記優勢，有助未來各項生物影像及病理等生醫應用。（記者吳柏軒攝）
〔記者吳柏軒／台北報導〕國科會補助中研院應用科學研究中心研究員陳壁彰與團隊，開發出「聚丙烯酸鉀膨脹層光奈米顯微術」（KA-ExM），靠著鉀離子將0.5毫米的果蠅大腦放大6萬4千倍到1、2公分，呈現3D神經網絡樣貌，突破光學染色成像的極限，可應用在生物影像乃至醫學病理切片，甚至可研究放大病毒結構，推動各項科研突破。
陳壁彰解釋，光學顯微鏡的成像解析度最小僅到200奈米，再微小尺度須靠電子顯微鏡，但卻只剩下一片黑白世界且為平面，而且電子顯微鏡造價昂貴、基本破億元，要呈現3D影像更須將樣本不斷切片掃描，光學成像則有「超解析螢光顯微技術」，可將細胞蛋白質等結構染色，但仍須突破解析度問題。
5年前疫情期間陳壁彰每天待在實驗室思索技術，他說，雖現行已能將細胞或薄層樣品，透過螢光蛋白染色、再用聚合物定位並「吸水」放大，但因材料使用納離子，導致放大後的樣本脆弱無法觸碰，放大倍率僅4、5倍，自己跨領域聯想到求學期間的化學知識，將鈉離子改成鉀離子，創「聚丙烯酸鉀」的高吸水性聚合物，成功讓放大樣本仍保有立體結構，將0.5毫米果蠅大腦的尺度放大40倍，相當於體積放大6萬4千倍。
陳壁彰說，樣本放大後，再搭配「貝索層光顯微鏡」成像，如店家常用的掃碼機一樣，一層層掃描果蠅腦樣本，就能快速呈現其3D結構，不僅能辨識出神經細胞之間極微小的突觸，也可看到傳遞訊息的突觸囊泡等；實驗室也放大老鼠大腦甚至胚胎等，其他人體組織如腎臟心臟都有可能，也不排除病理切片的樣本放大，乃至放大新冠病毒窺探其結構等，皆有助治療、疫苗等基礎生醫科研發展。
中研院細胞與個體生物學研究所研究副技師林子暘說，醫學應用上，切片樣品的解析度放大，可看見更微小結構，對病理研究有很大幫助，如許多細胞的粒線體與癌症病理有關，但電子顯微鏡世界只有黑白成像，透過新技術的光學3D成像觀察，有機會找出各種疾病的原因。
但陳壁彰坦言，KA-ExM技術的極限在蛋白染色時間，樣本越大越厚，染色就要越長，曾研究放大豬腦，就需耗費半年，但果蠅腦的放大約花4、5天，若是一般較薄奈米級的病理切片，應1天以內的事，時間尚可接受。希望將該技術到學界，研究今年初登上國際《自然通訊》期刊。
中研院陳壁彰團隊開發出「聚丙烯酸鉀膨脹層光奈米顯微術」（KA-ExM），能將小鼠胚胎放大數十倍，有助深入解析更細微的生物結構，推動基礎與應用科學突破。（記者吳柏軒攝）
中研院陳壁彰團隊的「聚丙烯酸鉀膨脹層光奈米顯微術」（KA-ExM）將果蠅腦的體積放大6萬4千倍，突破光學顯微鏡成像極限。（記者吳柏軒攝）
中研院陳壁彰團隊的「聚丙烯酸鉀膨脹層光奈米顯微術」（KA-ExM）將果蠅腦的體積放大6萬4千倍，突破光學顯微鏡成像極限。圖中上方為放大後的果蠅腦結構。（記者吳柏軒攝）
