持续升温的高内涵细胞成像与火热的类器官研究——横河电机高级技术顾问杨林立

高内涵细胞成像分析系统是一种利用高倍镜成像技术对细胞进行图像采集和分析的仪器设备。得益于显微成像、自动化和计算机等技术的迅猛发展，使其能够对大量细胞进行高分辨率成像和数据分析，实时提供海量多维生物学信息，广泛应用于生物医学、药物筛选等领域。

为帮助大家及时了解高内涵成像分析前沿技术、创新产品与解决方案，仪器信息网特别组织策划《窥微探秘，高内涵细胞成像前沿技术与进展》专题。本期，特别邀请到横河电机(中国)有限公司高级技术顾问杨林立谈一谈日本横河电机YOKOGAWA高内涵成像分析系统发展历程、创新技术以及他对未来市场的看法。

仪器信息网：请介绍一下高内涵成像技术的发展历史。

杨林立：目前，高内涵成像技术主要包括宽场和共聚焦两种，其中共聚焦又细分为激光点扫描共聚焦、单转盘共聚焦和微透镜双转盘共聚焦。相较宽场和点扫描共聚焦，转盘共聚焦兼顾了图像质量和扫描速度，可以实现高速获取高质量的动态图像，展现出广阔的应用前景。接下来，我将围绕转盘共聚焦技术展开重点介绍。

1997年，美国Cellomics公司成功开发出首个高内涵高通量筛选技术平台ArrayScan system，其中的共聚焦模块采用的是Nipkow单转盘，在保证高质量图像的基础上显著提升了成像速度，实现了短时间内获取大量图像和数据的目标，帮助科研人员进一步对细胞内部或细胞与细胞之间连续发生的动态变化的研究。

1996年，横河电机成功研制出首套微透镜增强双转盘共聚焦模块CSU10，在列阵单转盘的基础上引入了微透镜列阵转盘。其中，微透镜盘的使用能够大幅增加透光量，减小噪音，提高图像信噪比，同时进一步减小了激光曝光时间，实现低光漂白和低光毒性。

微透镜双转盘共聚焦示意图

随后，横河电机在2008年推出了首款微透镜双转盘高内涵系统CV6000，搭配4台高视角相机和水浸式镜头，进一步提升了拍照速度和图像分辨率。2015年，横河电机首款超高分辨的转盘共聚焦模块CSU-W1 SORA诞生，其分辨率可达到120 nm，使图像分辨率再次大幅提升。

近年来，随着图像荧光均一度要求越来越高，原有的光路设计亟需改造升级，横河电机和英国Andor公司分别开发出Uniformizer和Borealis技术，使视野内的荧光亮度更加均一化，从而提升了高内涵系统的成像质量。

仪器信息网：请点评荧光成像系统、透射光成像系统和共聚焦成像系统等不同成像方式的优劣势？

杨林立：成像技术可以分为两类：一类是透射光技术，即俗称明场或明视野，另一类是荧光技术。明场的定义相对广泛，具体又可以分为明场（Bright Field，BF）、微分干涉对比（Differential Interference Contrast，DIC）、霍夫曼调制对比（Hoffman Modulation Contrast，HMC）、相差（Phase Contrast，PH）、偏光（Polarized Light）和暗场（Dark Field，DF）。而荧光技术是指光源通过透镜激发细胞染料，染料发射荧光再经透镜进入相机，将光信号转化为电信号形成细胞图像。近年来，市场不断涌现出一些新颖复杂的成像技术，例如光片显微镜、共聚焦显微镜和双光子显微镜，大体上基于荧光成像技术发展而来的。

与传统显微镜不同，共聚焦显微镜采用单色光作为光源，在入射光滤光片位置附近增加一个针孔装置使入射光源变成点光源，点光源相比普通场光源方向性更强、发散更小、强度更大，能够在某一时间点激发焦平面内单个样品点的荧光信号，周围的样品点对被激发点的干扰极小，从而大大提升了显微镜的XY轴分辨率。在信号检测器的前方也设置了一个针孔装置，光源针孔和检测针孔的位置都刚好位于物镜的焦平面上，但通过分光器的作用之后，两者的位置形成“共轭”，这就是所谓的“共聚焦”。共聚焦的成像方式能很好地阻挡非焦平面的信号，进而提升显微镜的Z轴分辨率。

仪器信息网：请介绍当前全球及中国高内涵细胞成像分析系统市场规模及现状。

杨林立：据调研报告显示，全球高内涵筛选(HCS)的市场规模大概在6亿美元左右。从2019年到2024年间，预计将以9.8％的年复合成长率保持较高的增速发展，市场规模也将成长到10.5亿美元左右。其中，北美地区（占比38.5%）是高内涵筛选的最大市场，其次是欧洲（31.7%）、亚太地区（23.1%）、拉丁美洲（5.0%）、中东和非洲（1.6%）。北美地区由于研发投入强度高、主要医药市场参与者的存在、以及政府大力支持等多重因素导致长期占据较大的市场份额。与此同时，随着全球医药行业高速发展、新药研发投入力度持续加大、跨国公司对新兴市场的日益关注以及研发基础设施不断完善，预计亚太地区市场将在预测期内实现最高增长。

目前市场主要参与者包括：美谷分子（美国）、瑞孚迪（原PE，美国）、赛默飞（美国）、思拓凡（原GE，美国）、伯腾（美国）、横河电机（日本）、帝肯（瑞士）和伯乐（美国）等。根据仪器信息网报道，从全国共享高内涵筛选系统品牌分布来看，市场被进口垄断。前二者更是抢占到总份额的60%，在高校和科研院所中占据绝对优势。根据2021上半年高内涵分析仪中标记录，从高内涵细胞成像分析系统的品牌分布来看，中标数据中瑞孚迪占比最高。横河的占比为4%，其中的CQ1型号有着最多的中标。

仪器信息网：贵司高内涵细胞成像分析系统的发展历程是怎样的？有哪些里程碑事件？

杨林立：横河电机的高内涵分析系统最早可追溯到2008年——首款微透镜双转盘高内涵系统CV6000的诞生，它曾一度成为当时通量最高且成像质量极高的明星产品，随后于2011年完成了重大更新，并命名为CV7000；2014年，又推出了首款桌面式微透镜双转盘共聚焦高内涵分析系统CQ1，兼顾了成像速度和质量及经济性；2018年，成功研制出集细胞培养、加样、成像和分析于一体高内涵筛选系统CV8000，通过将专有的高速共焦扫描单元、水浸式镜头、带有细胞培养环境的显微镜台和集成机器人移液器相结合，不仅实现了高内涵、高分辨率成像，还可以通过更复杂的评估系统进行细胞表型筛选；2022年，横河电机重磅推出了首款高内涵单细胞及亚细胞内容物取样系统Single Cellome™ SS2000，这也是业内首次将高内涵系统与细胞取样系统相结合，具有跨时代融合创新。是全球首次将高内涵系统与细胞取样系统结合，提高稀有细胞及细胞内容物的取样便捷度，同时保留细胞的原始形态和位置信息，流式分选系统需要大样本，需要细胞悬浮，不能获取细胞容物，它的出现弥补了流式的不足，在高内涵成像分析的基础上，通过设定取样参数可提取整个细胞或细胞内容物。

仪器信息网：目前贵司主推的高内涵细胞成像分析系统产品有哪些？并谈谈该产品的核心竞争力（包括成像、数据处理、算法分析和自动化等方面）。

杨林立：根据市场需求和侧重目标不同，目前横河电机主推CQ1台式高内涵分析系统、CellVoyager CV8000高内涵筛选系统和Single Cellome™系统SS2000三款产品。就核心竞争力而言，横河电机高内涵产品的成像质量在业内是有口皆碑的，采用微透镜增强双转盘共聚焦光路，通光量高达70%，而单转盘仅有1-2%，同时，微透镜双转盘凿刻的针孔能够有效阻断杂散光，图像信噪比显著高于单转盘。此外，光源使用固体激光，单色性和亮度及穿透性比LED高，此外软件功能强大，界面简洁，操作方便。综上，横河电机的高内涵产品具有图像质量高、成像速度快、分析便捷等显著优势。

CellVoyager CQ1高内涵成像分析系统

CellVoyager CQ1是一款小巧紧凑、简单易用且价格亲民的高内涵成像分析系统，拥有有多种配置选择，并支持智能整合从而实现全自动成像分析。得益于横河电机微透镜双转盘共焦技术可以实现快速、温和地获取3D图像。同时，微透镜双转盘共聚焦的低光毒性使延时和活细胞分析成为可能。提供类似流式细胞术分析功能，支持包括数量、形态学、荧光强度、纹理和示踪及其他自定义参数的高内涵分析。此外，CellVoyager CQ1也是开放平台，可作为图像采集或分析设备扩展为整合检测系统，也可连接机械臂实现全自动成像分析。CQ1可配备高阶的高通量高内涵分析软件CellPathfinder。

CellVoyager CV8000 高内涵筛选系统

作为一款高端高内涵分析系统，CellVoyager CV8000将独特的高速共焦扫描仪、水浸物镜、高视场相机、带有细胞培养环境的显微镜台和机器人移液器集于一身，不仅实现了高内涵、高分辨率成像，还可以通过更复杂的评估系统进行表型筛选。此外，配备功能强大的CellPathfinder专业分析软件，可对细胞、细胞器、蛋白颗粒、神经细胞等进行多参数分析，如形态参数、荧光参数、纹理参数、细胞示踪参数等，并且具备深度学习和机器学习能力，能够提高对目标对象识别的精度性和准确性，从而帮助用户更好地分析图像，实现批量化分析，批量化导出数据结果，导出多种可视化数据。

Single Cellome™系统SS2000

高内涵自动亚细胞取样系统SS2000是一套直接自动取样的系统，它可在单细胞水平上自动对细胞的特定区域或整个细胞进行采样，同时使用共聚焦显微镜对培养中的细胞进行成像。由于在培养过程中可以仅对目标细胞进行取样而无需分离细胞，因此，取样后可保留细胞的位置和形态信息。

仪器信息网：贵司高内涵细胞成像分析系统主要应用哪些领域的哪些实验环节？有哪些代表性用户单位？

杨林立：横河电机的高内涵产品广泛应用于各种生物学实验环节，例如药物毒性与活力、类器官的培养与杀伤评价、神经细胞的发育与调节、胚胎干细胞的生长发育和分化、转录因子调控、TPD靶向蛋白复合体水解和细胞自噬等。凭借值得信赖的产品质量和快速细致的服务，横河电机的高内涵产品获得了广大用户的认可和赞誉，比如诺华制药、阿斯利康、强生制药等国际知名药企，哈佛大学医学院、美国国立卫生研究院(NIH)和食品药品监督管理局(FDA)等美国研究机构，以及北京大学、中科院微生物所、西湖大学和香港科技大学等国内科研院校。

仪器信息网：未来高内涵细胞成像分析系统技术发展趋势如何？最看好哪些应用细分？

杨林立：现阶段一线科研工作者们对高内涵成像仪器操作和数据分析的熟练程度仍有很大进步空间，比如，一些研究单位时常因为高内涵使用不熟练，而不能得到清晰的图像以及准确的分析结果。为此，高内涵成像分析系统需要更具智能化和智慧化，通过先进的语音交互系统将录入的语音准确无误地转化为操作指令或者编程语言，帮助操作人员熟练地使用各项功能。这也是横河电机未来重要发展方向之一。

2019年，类器官技术被The New England Journal of Medicine杂志评为优良的人类临床前疾病模型，它在细胞水平和个体水平药物评价之间建立了一座关口，能更高效提升药物进入临床的成功率，在3D水平上筛除低效药物。在医院科室，患者的组织可用于体外肿瘤类器官培养，进而药敏筛查，指导病人的临床用药及组合用药。此外，改造后的免疫细胞对肿瘤组织是否具有杀伤或抑制作用，同样需要类器管模型进行检测评价。因此，类器官拥有众多且重要的应用场景，而对3D类器官的成像和分析，目前只有高内涵能够胜任，尤其微透镜双转盘高内涵能够更好地成像与分析。我认为，在类器官研究领域，高内涵细胞成像分析系统是明确、持续且重要的需求。

杨林立 横河电机(中国)有限公司高级技术顾问

杨林立，生物学博士，毕业于上海交通大学，专注于细胞功能及表型研究，具有丰富的高内涵成像和分析经验，对于高内涵的整体解决方案，对于类器官的研究有着深入的理解和经验。

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