从现代流式细胞仪发展看高校共享平台搭建——北京大学医药卫生分析中心高级工程师苏黎

“流式细胞仪商业化历程刚过半百，国产化流式细胞仪才刚满10岁。如何从名头巨多的流式细胞仪类型中选择出适合自己的设备类型是所有高校共享平台一直在不断探索的永恒话题。”——苏黎博士 北京大学

为帮助广大用户加强对流式细胞技术应用及发展，进一步了解流式细胞平台的建设与管理经验，仪器信息网开设话题专栏【流式细胞平台建设与管理经验分享】，特别邀请北京大学医药卫生分析中心高级工程师 苏黎博士，就流式细胞仪商业化55年的发展史、常见类型以及共享平台建设管理经验与读者分享。

 本文作者：苏黎博士，北京大学医药卫生分析中心 高级工程师

苏黎，博士，高级工程师，专硕基地导师，北京大学医药卫生分析中心细胞分析室副主任，负责流式及单细胞平台搭建、运行等全面工作，熟悉流式、scRNAseq、空转及原位转录组等技术。主要研究 GPCRs 相互作用，神经免疫及药理；微粒、蛋白聚合体及囊泡等微小颗粒的定量检测与纯化，痕量细胞（CTC 等）检测与纯化，免疫细胞分型，细胞因子检测，实验大数据分析等。先后承担并完成国家自然科学基金等各级项目 8 个，参与国家级项目 7个；以第一或通讯作者在《Experimental & Molecular Medicine》、《Journal of Inflammation Research》、《Frontiers in Immunology》等发表 SCI 文章 10 篇，参与在《Adanced Science》、《Cell Stem Cell》等发表 SCI 文章 15 篇。现任中国医学装备医学实验室分会委员、北京神经科学学会-疼痛与感觉障碍委员会委员等。

流式细胞术（Flow Cytometry, 简称FCM）是一种运用流动相包裹、对单个细胞或生物颗粒的物理或化学特性进行快速测量和定量分析的方法，同时也是一项可以用物理方法对细胞亚群或亚细胞结构进行分离和富集的技术。而流式细胞仪（Flow Cytometer）则集成了激光技术、流体力学技术、电子物理技术、光电测量技术、电子计算机技术、细胞化学技术、抗体技术等等为一体的新型高端精密设备，在临床检验和生物、医学、药学及农林等基础科研领域的应用都非常广泛。

一、现代流式细胞仪的发展史

现代流式细胞术的发展可回溯到上世纪三十年代，1934年Moldavan将显微镜技术与稳定压力和毛细管结构巧妙结合在一起，发明了细胞自动计数装置，成为人类史上有关流式细胞术的第一个大胆创新性尝试。随后人们发现流式细胞计中，细胞流过狭窄管道时的阻塞问题成为了限速。1953年，Grosland-Taylor将鞘液流原理运用到流式细胞计，并设计了流动室，让悬浮的细胞慢慢注入快速流动的液柱中并只在轴心流动，解决了颗粒阻塞线下，同时还可以精确控制粒子进入液柱的位置，从而建立了流体动力聚焦，再利用光学法计数血细胞。这一液流原理奠定了流式细胞仪的液流基础，至今仍有很多流式细胞仪采用。

1959年，Wallance Coulter利用他自己发明的“流动的悬浮粒子计数方法”的专利（即Coulter效应），生产了Coulter计数器。1965，Kamentsky提出了用分光光度学定量测量细胞组分，实现细胞分类，测量速度可达500个/秒。同时，他也是首个用计算机接口到仪器，用直方图线上分析参数的人。1967，Van Dilla和Los Alamos，设计了三轴相互垂直的流式细胞计，真正现代意义上的流式细胞仪的经典结构，可进行DNA定量分析。直到1968，第一台商品化流式细胞仪ICP出产。1973，Len Herzenberg在斯坦福研制成功分选仪FACS，商品化时代到来。

二、现代流式细胞仪的主要类型及检测原理

01传统型流式细胞仪的发展

传统流式细胞仪是通过对特定波长范围内的光信号的检测来实现对样本中特定分子的定量分析：通过前向散射光和侧向散射光的检测，来识别流动样本中，待测样本的粒径、胞内物质及膜结构的复杂程度；通过对样本所携带的特异性荧光的检测，来判定样本中待测分子的表达高低及群体分布。随着现代单克隆抗体技术、生物工程及生物材料等技术的发展可用来特异性标记细胞或生物颗粒的物质越来越多，荧光蛋白、荧光标记抗体、荧光探针及纳米颗粒等，都可以成为荧光流式检测的特异性荧光的来源，大大拓宽了传统荧光流式的检测范围。到了2010年代，利用传统流式细胞仪，已可以在单一样本中同时检测20种分子。这几乎是传统流式细胞仪发展的瓶颈，通过设定不同带宽的滤光片来判断特异性荧光的有与无、高与低的检测原理，注定了同时检测荧光信号类型越多、荧光间光谱交叉越严重，信号干扰越厉害。如何拓宽流式细胞仪的检测能力，成了各流式大厂、流式新秀角逐的重心之一。

与此同时，如何扩大流式细胞仪的检测粒径范围、使流式细胞仪的检测样本类型更广，设备大型趋于小型化以适应实验室空间需求，是流式细胞仪发展的另外两个焦点。英国的Apogee公司算是最早商业化销售的具有小颗粒检测模块的流式细胞仪，其检测范围可以从几十nm囊泡到几十微米的细胞。与此同时，国内厦门福流的NanoFCM则专注做纳米级颗粒检测。而陈永勤博士所研发的CYTOFLEX在诞生之初，就可轻松识别200nm的颗粒，最新产品已可检测75nm的颗粒，它同时也是一款稳定的小型化产品。而传统流式细胞仪老大BD公司，也在其经典的流式分选系统Aria的定制款设备上，增加了SP SSC检测通道，使其检测及分选颗粒粒径下限延伸到了200nm。

至此，传统流式细胞仪发展的三大方向——小型化、小颗粒及多色检测，已基本稳定、成型。

02交叉型流式细胞仪

在传统流式发展的同时，流式细胞术与其他技术融合、不断拓宽流式细胞仪的检测能力和范围。

成像流式细胞仪成功将显微成像的高清晰度与流式的高通量检测能力融合在了一起，使流式细胞仪的定量分析技术变得有图有真相、“更可信”。

光谱流式细胞仪则成功的把光谱拆分技术应用到流式细胞仪系统，打破了以波长论荧光素、算分子定量的限制，从而将流式细胞仪的检测能力扩大，再配合激光器，单个样本已可实现四五十种分子的同时检测，甚至更多。

质谱流式更是将质谱仪的精准定量能力引入流式细胞仪，借助每种金属元素都有特定的核质比的特性，客服了光谱交叉的限制，使单一样本同时检测上百种分子成为了可能。

近些年，如何实现无标记即可定量分析细胞或生物颗粒又成为交叉型流式细胞仪发展的另一个热点。AI视觉流式、拉曼流式、细胞力学流式细胞仪等都应运而生。

随着2022年BD带成像功能的光谱流式细胞分选仪S8的上市，更是意味的未来会有更多种技术交叉融合在一起，成就功能更强大的流式细胞仪。

三、高校共享流式平台的搭建原则

高校是基础研究的主力军，而高校大型设备共享平台一方面可以有效节省人力、物力及空间等资源，使大型设备得到最有效的利用；另一方面，高校共享平台也是高校加强基础研究，实现高水平科技自立自强的根基。如何建设出一个高水平的基础研究支撑平台是高校共享平台的共同使命。

流式细胞仪强大的单细胞“原位”检测能力，使之已经成为生物、药学及医学等相关领域基础研究必不可少的精密设备。如何在繁杂的设备类型中，选择和搭建高校适用的流式平台设备是个很值得探究的话题。北京大学医药卫生分析中心流式细胞平台作为全国最早的流式平台之一，已拥有近四十年历史，简单总结下我们的一点经验、供大家探讨。

  设备需求量及技术难度是首要考虑因素：

流式细胞仪发展至今，不同的设备其主要功能侧重不同。同样的，不同的研究领域研究需要的设备功能也会略有不同。高校共享流式平台更多要考虑未来设备的使用者的需求，需求量的多少来确定购买设备的类型。比如物美价廉的小型化流式细胞仪更适合个人实验室或对流式细胞仪的高阶使用功能要求不高的平台使用。大型的流式分选仪或质谱流式细胞仪则对操作人员有更高要求，更适合专业的流式平台。

  设备技术先进性：

不同级别的设备共享平台需要解决的一线需求侧重点不同，能获得的经费支持来源和力度不同，同时设备可实现的共享程度也不同，积累的设备管理经验也会有差异。通常校级平台会放置更为先进、功能更全面的设备类型。

  不同设备间的功能互补性：

由于商业化产品定位及市场占有份额、功能兼容性因素，流式细胞仪发展至今，不同设备间总会有不同的功能取舍。这也是大型设备共享的重要起因之一，通过集中采购不同共功能侧重的设备类型，可以使不同功能的仪器都能实现充分利用和最大化的机时饱和度。

  设备的使用及维护成本：

大型共享设备的采购不是一锤子买卖，平台在搭建时必须要考虑后面的使用问题。待采设备销售方是否拥有良好的技术支持及维修团队，后期的维修或维保价格是否合理，设备使用过程中的科研试剂及耗材的供货情况及价格等等，都是设备选择时要考量的因素。这些会直接影响设备最终的使用率。相似的设备类型，性价比高的自然是更优的选择。

总而言之，虽然流式细胞仪商业化历程刚过半百，国产化流式细胞仪才刚满10岁，但国内科研及临床的需求却越来越广泛、影响也越来越大。繁花迷眼，如何从名头巨多的流式细胞仪类型中选择出适合自己的设备类型是所有高校共享平台一直在不断探索的永恒话题。采购前做些设备间比对、甚至样机试用等，不失为一个好的选择方法之一。请在评论区留下你的看法吧！

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