利用传统流式细胞检测技术,研究人员可以分析成千上万个细胞,获得每个细胞的散射光信号和荧光信号,从而得到细胞群体的各种统计数据。但是传统流式细胞检测技术获得的细胞信息很有限。

 

细胞对研究人员来说,只是散点图上的一个点,而不是真实的细胞图像,缺乏细胞形态学、细胞结构及亚细胞水平信号分布的相关信息。要想获得细胞图像,研究人员就必须使用显微镜进行观察,但显微镜能够观察的细胞数量是非常有限的,很难提供细胞群体的量化与统计数据。ImageStream 系列开创性地将流式细胞检测与荧光显微成像结合于一体,既能提供细胞群的统计数据,又可以获得单个细胞的图像,从而提供了细胞形态学、细胞结构和亚细胞信号分布的完整信息。

Amnis 量化成像流式细胞仪的发展历程

2005 年 Amnis 公司推出了世界上第一款量化成像分析流式细胞仪 ImageStream100,开创了流式细胞技术的新篇章,带给研究人员全新不同的实验视角。2009 年推出了第二代 ImageStreamX 系统,其检测速度提高了十倍,同时提高了单个细胞的图像质量和数量。

 

在这期间,Amnis 量化成像分析流式细胞仪逐渐被科学界认可,解决了一些一直困扰科研的问题,更多的研究人员使用这款仪器发表了很多顶尖文章。为了满足更多研究人员的需求,Amnis 公司于 2011 年推出了性价比更高的 FlowSight,使得 Amnis 成像流式走进了更多的实验室。

 

Merck 是一家拥有 350 年历史的制药于化工公司,正是在这个时候看到了 Amnis 的创新和高速成长性,在 2011 年秋天正式将其招致麾下,成为流式产品线非常重要的成员。Amnis 再接再厉,在 2012 年夏天发布了拥有先锋级硬件配置和更加人性化软件的顶级流式细胞仪——ImageStreamX Mark II。它的性能更加卓越,可以给客户提供更加精确、全面、深入、与众不同的流式数据。

Amnis 量化成像流式细胞仪原理

ImageStream 技术建立在传统的流式细胞术基础之上,结合了荧光显微成像技术,它具有多个检测通道,可以对通过流动室中的每个细胞进行成像,实现了对细胞图像进行多参数量化分析,获得全新的细胞形态统计学数据。
 
ImageStream 技术与传统流式细胞仪很类似,其系统平台也是由液流系统,光学系统和检测系统三大部分组成。液流系统通过注射泵将样本细胞悬液和鞘液注入流动室中,细胞在鞘液流的约束下聚焦在液流的中心,逐个流过检测窗口。
 
光学系统中光源照射通过检测窗口的细胞,从而产生光信号。光源分为两种,其一用于产生明场细胞图像,另一种是用于产生荧光细胞图像的激光器。独特、定制的全固态激光器,功率高且可调节,有利于同时检测多种荧光信号或是微弱信号。
 
另外独特的 785 nm 激光器,用于检测侧向角(SSC)参数,极大提高了该参数的检测灵敏度。光源照射细胞产生的光信号被大数值孔径的物镜收集,然后通过光路系统传递到由二向色镜构成的滤光片堆栈。光信号在这里被分成不同波段投射到 CCD 的相应检测通道上,产生明场细胞图像、暗场细胞图像和多个荧光通道的细胞图像,即每个细胞可以获取 12 副不同成像。ImageStream 技术的检测系统十分独特,采用不是传统流式细胞仪的 PMT 检测方式,而是基于时间延迟积分技术的 CCD(TDI (time delay integration) CCD)采集,保证了系统对高速运动的流体细胞也能采集高质量图像。
 
ImageStream 系统配有功能强大的数据分析软件 IDEAS,可以对每个细胞分析超过 500 种量化参数。这些参数不仅包括细胞整体的散射光和荧光信号强度,还包括对细胞形态,细胞结构及亚细胞信号分布的分析。
 
从 2005 年开始,Amnis 量化成像流式分析仪被广泛应用于生物化学、药物研发、血液、免疫、微生物、海洋、肿瘤、寄生虫、干细胞、毒理、病毒等各个领域。随着 ImageStream 高速显微成像流式细胞技术的发展成熟,越来越多的科研人员开始将这种革命性的技术手段运用到自身的研究领域,并发表了大量有影响力的论文。
 

Amnis 量化成像流式细胞仪的常见应用

▎ 细胞周期
 
生命是从一代向下一代传递的连续过程,因此是一个不断更新、不断从头开始的过程。细胞的生命开始于产生它的母细胞的分裂, 结束于它的子细胞的形成。通常将子细胞形成作为一次细胞分裂结束的标志。细胞周期是指从一次细胞分裂形成子细胞开始到下一次细胞分裂形成子细胞为止所经历的过程,分为间期与分裂期两个阶段。在这一过程中,细胞的遗传物质复制并均等地分配给两个子细胞。
 
流式细胞术检测细胞周期的原理是根据 DNA 染料与细胞内 DNA 的结合,反应细胞内 DNA 的含量,从而根据 DNA 含量确定细胞周期。设 G0/G1 的 DNA 含量为 2N 的话,S 期的 DNA 含量介于 2N 和 4N 之间,而 G2/M 期的 DNA 含量为 4N。如下图所示,因此根据不同细胞周期的 DNA 含量不同,可判断出细胞群体中 G0/G1 期、S 期和 G2/M 期的细胞比例。
 
Imagestream 成像流式细胞仪对每个细胞进行成像,不仅可以根据 G0/G1 期、S 期和 G2/M 期 DNA 含量的不同进行区分,还可以根据 M 期细胞核形态的不同将 M 期中前期、中期、后期和末期细胞进行区分,因此可以计算出细胞周期中 G0/G1 期、S 期、G2/M 期及 M 期中前期、中期、后期和末期细胞的比例。这大大提高了流式细胞仪对细胞周期的分析能力。
 
图 1. 传统流式细胞仪的细胞周期分布图
 
 
图 2. 成像流式细胞仪可以根据 M 期细胞的前期、中期、后期和末期的形态不同对细胞进行区分并计算其比例
 
▎细胞凋亡
 
细胞凋亡(apoptosis)指为维持内环境稳定,由基因控制的细胞自主有序的死亡。 细胞凋亡首先出现的是细胞体积缩小,连接消失,与周围的细胞脱离,然后是细胞质密度增加,线粒体膜电位消失,通透性改变,释放细胞色素 C 到胞浆,核质浓缩,核膜核仁破碎,DNA 降解成为约 180bp-200bp 片段;胞膜有小泡状形成,膜内侧磷脂酰丝氨酸外翻到膜表面,胞膜结构仍然完整,最终可将凋亡细胞遗骸分割包裹为几个凋亡小体,无内容物外溢,因此不引起周围的炎症反应,凋亡小体可迅速被周围专职或非专职吞噬细胞吞噬。细胞凋亡的指标有多种,可以判断凋亡的不同时期。从早期凋亡的细胞膜磷脂酰丝氨酸外翻,到中期凋亡的 Caspase 活化、细胞色素 C 的释放、线粒体膜电位的丧失等,到晚期凋亡的核酸内切酶在核小体之间剪切核 DNA,产生大量长度在 180-200 bp 的 DNA 片段。在成像流式细胞仪上,只要使用 PI 染色即可以区分活细胞、坏死细胞和凋亡细胞。这是因为在活细胞中 PI 染色为阴性,坏死细胞和凋亡细胞 PI 染色为阳性,但坏死细胞的细胞核保持完整形态,而凋亡细胞发生了 DNA 的凝集,因此可以根据细胞核形态的不同对坏死细胞和凋亡细胞进行区分和统计。
 
图 3. 成像流式细胞仪根据 PI 染色即可区分活细胞、坏死细胞和凋亡细胞。
 
▎细胞信号转导
 
细胞活性、分化及宿主防御功能受到多种过程调节,其中转录因子从细胞质到细胞核的转运过程是一个重要环节。IDEAS®软件利用形态学量化参数 Similarity,通过对相关转录因子和细胞核的图像进行自动分析处理,精确量化细胞内蛋白分子的核转运程度。例如核因子 NF-кB 信号通路主要涉及机体防御反应、组织损伤和应激、细胞分化和调亡以及肿瘤生长抑制过程的信息传递。 在多数细胞类型,NF-кB 在胞浆与抑制性蛋白质结合形成无活性的复合物。当肿瘤坏死因子等作用于相应受体后,可通过第二信使激活此系统。激活过程是通过磷酸化抑制性蛋白使其构象改变而从 NF-кB 脱落,使得 NF-кB 得以活化。活化的 NF-кB 进入细胞核,与 DNA 接触,并启动或抑制有关基因的转录。因此未活化的 NF-кB 位于细胞质,而活化后的 NF-кB 位于细胞核。传统的流式细胞仪只能检测细胞整体荧光强度,而无法区分位于细胞不同部位的荧光的细胞。成像流式根据每个细胞的图像判断该细胞是否发生 NF-кB 信号通路的活化。
 
实验案例:
 
NF-кB 在全血不同白细胞中的转运 
 
图 4. 实验结果显示,脂多糖能够特异性地诱导 CD14 阳性单个核细胞中的 NF-кB 核转位(直方图蓝色部分),而并不诱导 CD3 阳性单个核细胞的 NF-кB 核转位(直方图黑色部分)
 
▎纳米药物研究
 
纳米药物具有许多传统药物所不具备的优势,如显著提升药物的作用效果和靶向性,在改善治疗效果的同时降低药物毒副作用对机体的影响;调节释药速度,改变药物在体内的分布;提高药物溶解度和生物利用度等。纳米药物的研究已经成为现代医学发展和药物创新的重要方向,在预防与控制癌症等重大疾病研究领域都有望取得重要突破,极有可能在不远的将来释放巨大的经济和社会效益。
 
纳米药物虽然是具有巨大发展前景的新型药物,但纳米药物在临床应用中的生物机制,以及纳米药物作用的细胞模型都非常欠缺,亟需发展。纳米毒理学,纳米药物动力学,纳米药物结构优化和功能测定都亟需具备高通量和高内涵性能的新型细胞学水平研究工具。量化成像分析流式细胞仪以其高通量的数据获取能力和量化成像分析能力很好地满足了纳米药物的研究需求,为许多已经发表重要的高水平工作提供了关键性的数据,引起业内同行的高度重视。
 
量化成像流式细胞仪对纳米材料的研究主要有两种方式。一种是通过衡量纳米药物在细胞内部的荧光来判断纳米药物在细胞内的摄入程度,即内化值,内化值越大,表示细胞内部摄入的纳米药物越多;第二种是通过计算细胞内部所摄入的纳米药物荧光点的数目来衡量纳米药物的摄入程度。
 
图 5. 分析纳米颗粒是否进入细胞的两种方法,一是通过内化参数 Internalization 来实现的,它代表的是外源信号在细胞以内存在的情况。该参数能够在单个细胞以及整个细胞群体水平衡量纳米载体或纳米颗粒进入细胞的程度。二是统计细胞内的纳米颗粒数量,是通过计点参数,即 Spot Count Feature 来完成。能够统计在每个细胞范围内,有多少个纳米颗粒形成的小点,能反映纳米颗粒进入细胞的效率。
 
▎细胞治疗
 
近年来肿瘤的免疫治疗取得了巨大的进步,尤其是嵌合体抗原受体修饰 T 细胞 (Chimeric Antigen Receptor T-Cell Immunotherapy, CAR-T) 技术在治疗白血病、神经胶质瘤、淋巴瘤、神经母细胞瘤等恶性肿瘤,取得了较大的成果。CAR-T 技术治疗肿瘤的步骤包括提取患者 T 细胞,进行体外基因转染操作将肿瘤相关抗原的单链抗体表达于 T 细胞膜表面,在体外扩增 CAR-T 细胞,并回输 CAR-T 细胞到患者体内对肿瘤进行杀伤。来自耶鲁大学的 Patrick 等科学家则将这一技术更加推动一步,十分巧妙的设计和合成了模拟抗体类似特性的化合物 SyAM-P,该化合物一端可以结合到前列腺癌细胞表面抗原 PSMA,一端结合免疫细胞表面 FcγRI,通过这种方式可以使免疫细胞靶向杀伤前列腺癌细胞,如图 6 所示。
 
图 6. 抗体特性模拟化合物
 
当 SyAM-P 引导单核细胞靶向前列腺癌细胞后,单核细胞通过吞噬效应进行前列腺癌细胞的杀伤。与传统流式不同的是,Amnis 可以结合图像清晰的观察到效应免疫细胞对肿瘤细胞的吞噬过程,如图 7 所示。其中 Target 为绿色荧光标记的前列腺癌细胞,Effector 为红色荧光标记的单核细胞,图 7 上方是单核细胞已经完成对前列腺癌细胞吞噬后的细胞图像,可见绿色的前列腺癌细胞位于单核细胞内部,而图 7 下方则是单核细胞正在进行吞噬过程的细胞图像,可见单核细胞与前列腺癌细胞之间吞噬杯的形成。
 
图 7. 在 SyAM-P 的作用下,单核细胞对前列腺癌细胞进行吞噬,上图为吞噬完成后,下图为吞噬过程中吞噬杯的形成
 
在另一项研究中,来自美国 Medimmune 公司的 M Jack Borrok 等科学家发现赋予人表皮生长因子 Her2-IgG1 FcαRI 以提高抗体依赖性细胞介导的细胞毒性。他们利用成像流式 Amnis 观察到 Celltrace violet(活细胞紫色荧光染料)标记的巨噬细胞对 CFSE(活细胞绿色荧光染料)标记的乳腺癌靶细胞进行吞噬的过程,并对吞噬比例进行统计。如图 8 所示,在散点图中可以看见,1 为紫色荧光标记的单个吞噬细胞,2 为早期吞噬过程中的巨噬细胞和乳腺癌靶细胞,3 为吞噬完成的巨噬细胞和乳腺癌靶细胞,4 为绿色荧光标记的巨噬细胞。通过成像流式细胞仪 Amnis 的分析,可以很好的评价改造后抗体对提升吞噬细胞吞噬肿瘤细胞的能力。
 
图 8. 利用成像流式 Amnis 评价抗体改造前后吞噬细胞对肿瘤细胞的吞噬能力
 
利用成像流式 Amnis 让科学研究更加生动,富有乐趣,流式细胞仪的快速灵敏和成像分析的大数据则让文章充满亮点,让成像流式 Amnis 成为您科研的好帮手。
 

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