量化成像分析流式细胞仪

Amnis量化成像流式细胞仪在血液学研究中的应用 白血病是一类造血干细胞恶性克隆性疾病。克隆性白血病细胞因为增殖失控、分化障碍、凋亡受阻等机制在骨髓和其他造血组织中大量增殖累积，并浸润其他非造血组织和器官，同时抑制正常造血功能。白血病的诊断、分类和预后分层需要综合运用形态学、免疫表型和遗传分析方法，而传统上这需要在多个平台上进行检测以便得到最终结果。 成像流式细胞术可以在一个仪器上产生以上所有结果，从而为白血病的诊断和研究开辟了新的工具。基于图像的流式细胞术结合高分辨率数字图像和标准流式细胞仪所获得的定量荧光信息，可以确定细胞抗原的定位（即细胞表面、细胞质、细胞核），并且可根据荧光强度、细胞形状、细胞大小和纹理信息等组合变量选择特定的细胞群体进行分析，而这是标准流式细胞仪无法实现的特征。 急性早幼粒细胞白血病（APML）为急性髓细胞白血病的一种特殊类型，急性早幼粒细胞白血病可以通过观察早幼粒细胞中粒细胞白血病蛋白- PML蛋白的异常弥散分布来进行快速检测。在正常细胞中，大部分PML蛋白以不连续点状方式分布在细胞核内，而在APML细胞中PML蛋白会呈弥散性分布。常规检测方法为显微镜观察，免疫组化，荧光原位杂交以及传统流式细胞术，但这些方法主观性很强，灵敏度低。Lizz Grimwade等人[1]尝试利用Amnis量化成像流式技术，根据 PML蛋白分布的模式的不同，对正常细胞和APML细胞的PML蛋白分布进行客观的区分。对病人样本进行自动检测，通过统计发生PML蛋白聚集的细胞比率来评估 APML发病的风险。结果表明，Amnis量化成像流式技术能够分析大量样本，确定PML蛋白的分布形式，从而找到潜在的异常细胞，增加了检测的灵敏度和准确率。图1. 急性早幼粒细胞白血病(APML)免疫荧光显微镜染色显示(A)在非APML患者中聚集的PML小体和(B) APML患者中弥散性PML小体 (红色，罗丹明抗PML；蓝色，DAPI核染色)。Modulation纹理分析分别显示在非APML病例(C)和(D)在APML病例中的结果。(E)和(F)分别显示非APML患者FITC标记的PML聚集体和APML患者弥散性PML。(G) 显示非APML患者和APML患者之间弥散染色的细胞百分比差异。 慢性淋巴细胞白血病(CLL)是最常见的白血病，其特征表型和预后在很大程度上取决于是否存在细胞遗传学畸变。检测这些细胞遗传学异常的金标准是在载玻片上的细胞涂片或组织切片上进行荧光原位杂交(FISH)。荧光原位杂交(FISH)是一种显微镜技术，使用荧光探针检测DNA序列，通常在载玻片上完整细胞的中期细胞涂片或间期细胞核上进行。来自澳大利亚的科学家Henry Hui等[2]展示了使用自动、高通量的Amnis量化成像流式细胞仪评估数千个细胞悬液中CLL细胞染色体的特异性FISH探针信号。成像流式细胞仪的EDF景深扩展能力使FISH探针信号能够被解析并定位在免疫表型细胞的（染色的）细胞核内。多色流式细胞术免疫表型分析最常用于诊断白血病，因为CLL细胞具有特征性表型，它们是成熟B淋巴细胞（CD19、CD20阳性），特征为共表达CD5和CD23抗原。CLL还表现为异质性遗传不稳定性。超过80%的病例预先存在细胞遗传学畸变，最常见的是11q、13q或17p缺失和12三体（15%的病例），这些可用于将患者分为高、中、低和极低预后风险类别。图2展示利用Amnis成像流式进行12号染色体三体CLL细胞的分析方法。使用Amnis ImageStreamX Mk II平台在血液样品上开发的自动化“immuno-flowFISH”方法在CLL中评估12号染色体的临床方法可能应用于疾病分层的诊断和后续治疗以评估疾病预后。这些应用将帮助临床医生优化治疗决策，从而改善患者的治疗效果。 图2. Amnis成像流式细胞仪进行12号染色体三体CLL细胞的分析方法。(A)分别根据明场图像的清晰度、面积、宽长比等参数对聚焦细胞进行识别。(B)细胞通过SYTOX AADvanced荧光强度(Intensity_MC_Ch05)进一步鉴定有核细胞，排除增殖细胞或紧密重叠的细胞。(C)和(D)根据CD19-BV480 (Ch07)、CD3-AF647 (Ch11)和CD5-BB515 (Ch02)表达差异对细胞进行分群，分为T细胞(CD3+CD5+CD19-), B细胞(CD3-CD5-CD19+)和CLL细胞(CD3-CD5+CD19+)。(E-G)对每个细胞亚群在CEP12-SpectrumOrange探针(Ch03)通道进行FISH小点计数的结果。(H)可在图像库中查看细胞免疫表型或FISH小点计数的亚群，以确认定量分析。259细胞为CD19-BV480阴性，CD3-AF647阳性，CD5-BB515阳性，12号染色体正常T细胞；细胞4419是一个CD19+CD3-CD5-12号染色体正常B细胞；细胞7805是一个CD19+CD3-CD5-12号染色体三体CLL细胞；细胞1851是一个CD19+CD3-CD5+12号染色体正常B细胞；和细胞1828是一个CD19+CD3-CD5+12号染色体三体CLL细胞。 Amnis量化成像流式细胞仪可以让科学研究更加生动，富有乐趣，其高灵敏度的检测和成像分析的大数据则让文章充满亮点，是您科学研究的好帮手。 相关阅读：Amnis量化成像流式细胞仪系列 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相对有限。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。Luminex公司Amnis量化成像流式技术开创性地将流式细胞技术与荧光显微成像技术结合于一体，在传统流式抽象的统计学数据基础上，既能提供细胞群的统计数据，又还可以获得单个每个单细胞的明场和荧光图像，从而为研究人员提供了细胞形态学、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具有高达12个检测通道，可以对通过流动室中的每个细胞进行成像，并对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。系统配有功能强大的数据分析软件IDEAS，可以对每个细胞图像通道分析超过上百种量化参数。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，荧光分布、小点计数、荧光共定位等多种信息的分析。随着Amnis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。图3.路明克斯Amnis量化成像流式细胞仪，左为FlowSight，右为ImageStreamX Mk II 参考文献： [1] Grimwade, L., Gudgin, E., Bloxham, D., Scott, M. A., & Erber, W. N. (2010). PML protein analysis using imaging flow cytometry. Journal of Clinical Pathology, 64(5), 447–450. doi:10.1136/jcp.2010.085662 [2] Hui, H., Fuller, K. A., Chuah, H., Liang, J., Sidiqi, H., Radeski, D., & Erber, W. N. (2018). Imaging flow cytometry to assess chromosomal abnormalities in chronic lymphocytic leukaemia. Methods, 134-135, 32–40. doi:10.1016/j.ymeth.2017.11.003

仪器信息网特别策划话题：#3i流式大咖说#（点击查看） ，邀请高校、科研院所、临床、生物技术企业等流式技术研发、应用专家分享技术心得和经验，方便生命科学领域研究人员了解相关技术应用进展、学习仪器使用方法。本期，中国科学院水生生物研究所分子与细胞生物学技术平台负责人汪艳老师带我们了解量化成像分析流式细胞仪在水生生物研究中应用。量化成像分析流式在水生生物研究中应用汪 艳中国科学院水生生物研究所，湖北 武汉流式细胞术最早一种检测浮游植物的分析工具,是根据微粒的荧光特性反映出浮游微型生物的大小、形状、结构或者是色素类型,从而对浮游微型生物进行定量和定性研究，分选功能有助于不同种浮游生物进行分离和富集培养。尽管流式细胞术在高通量模式下可以测量每个单个细胞的多个参数，但显微镜观察与分析微藻的表征和量化的方法仍然普遍。Amnis 公司推出了ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪设备，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，能对检测的每个细胞进行成像，提供超过百种量化成像参数，突破流式散点图与明场、荧光图像一一对应，获取高分辨的细胞形态和蛋白定位，完美解析细胞功能。2020年本所购置一台量化成像分析流式细胞仪，浅谈ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪在水生生物中应用。一、在浮游微生物的计数、活力、分类检测 随着工业的发展，水域污染日益加重，水体富营养化，从而引起藻类暴发性繁殖，发生赤潮，海洋生态系统遭到破坏。藻类的种类多样性指数能反映出不同环境下藻类个体分布丰度和水体污染程度，可充分利用藻类的分布来判断水质污染状况，以此达到治理水体污染的目的。藻类细胞计数、活力检测及分类是有助于了解细胞生长、密度、环境污染有着重要意义。研究者发现水产养殖池塘中的样品用丙酮抽提测到的叶绿素a含量高，与显微镜计数换算的生物量相差较大，通过ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪证实池塘中微型藻类种类，以及真核藻和原核藻比例（图1、2）。图1：ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪利用藻类叶绿素光和明场，可清晰观察5种不同藻类图像。图1A：单个纯种藻的图像，图1B：养殖池塘样本检测藻图像。图2 ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪的IDEAS软件与人工智能分析模块对养殖池塘样本的藻进行分类与计数（Classfied是算出来的结果，Truth是用来训练算法）。二、在环境毒理学的应用 流式细胞术作为单细胞检测的主要技术手段，实时追踪细胞的活性状态，评估细胞的物理和生物学功能，是一种高效快速的毒性评价方式。ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪应用形态学量化对环境胁迫下藻细胞形态的自动化检测与评价。形态学量化参数之一的圆度参数（circularity），其分值是衡量细胞的多个半径间差异的指标，所测算的细胞样本处于圆形且完整，多个半径间差异相对低，circularity分值较高，而样本形状不规则，多个半径间的差异较大，circularity分值较低（如图所示3）。 图3 形态学量化参数之一的圆度参数（circularity）图4 ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪检测微囊藻被三氯生处理的形态参数圆度参数（circularity）显著的变化。三、在细胞自噬中的研究 细胞自噬(autophagy or autophagocytosis)：是细胞在自噬相关基因(autophagy related gene，Atg)的调控下利用溶酶体降解自身受损的细胞器和大分子物质的过程。自噬既是细胞应对极端环境的一种特殊手段，也是调控细胞正常生命活动的重要机制，自噬异常往往也是引起细胞损伤和老化的重要因素。自噬参与了肿瘤、衰老、炎症、免疫应答、心脑血 管疾病、氧化应激、神经退行性疾病、代谢、发育等许多重要的生物学过程。研究自噬的方法很多，可采用透射电镜、荧光显微镜、共聚焦、Western Blot、流式细胞仪观察与检测自噬小体及自噬溶酶体的形成与定量，但无法在统计学定量基础上观察到整个自噬过程。ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪弥补流式细胞仪和荧光显微镜不足，在对所有细胞进行流式分析同时采集每一个细胞的图像，得出统计学结果。细胞发生自噬时，作为标记物的细胞质LC3蛋白经过加工在自噬体外膜表面大量聚集，利用IDEAS软件中的形态学量化参数Spot Count，能够在直观观察LC3荧光斑点的同时，准确统计每个细胞内LC3斑点的数量，对细胞自噬状态进行量化分析。ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪检测草鱼性腺细胞（GCO）被草鱼呼肠孤病毒（GVRV）感染后自噬变化。转染 pEGFP-LC3B 的细胞， 在非自噬的情况下，荧光显微镜下 LC3B-GFP 以弥散的形式存在于细胞质中；而在自噬的情况下，荧光显微镜下 LC3B-GFP 则聚集在自噬体膜上，以斑点的形式表现出来，自噬程度越强，斑点数目越多（图5、6）。 图5 量化成像分析流式细胞仪检测草鱼性腺细胞（GCO）被雷帕霉素（Rapa）、草鱼呼肠孤病毒（GVRV）感染后自噬变化。 图6 利用IDEAS软件中的形态学量化参数Spot Count，观察LC3荧光斑点的同时，准确统计每个细胞内LC3斑点的数量。四、在细胞免疫功能与免疫机制研究 免疫细胞对非己物质的吞噬是机体的主要防御手段之一，检测吞噬活力是评价机体的免疫状况的重要参数。早期吞噬材料一般选为荧光素标记的葡萄球菌、大肠杆菌等。随着人造荧光微球技术发展，荧光微球的性质稳定及均匀的特点，选用不同大小、不同基团修饰的微球，进行准确的定量检测。鱼类、两栖动物和爬行动物的B细胞具有显著的吞噬能力，这种吞噬能力来自两栖动物的IgM B细胞。采用ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪，证明了硬骨鱼的B细胞具有有高能力吞噬大颗粒微球，还有杀死摄入细菌的能力（图7）。 图7 采用ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪检测草鱼B细胞有高能力吞噬大颗粒微球，并具有杀死摄入细菌的能力。Amnis 公司2005年推出了世界上第一款量化成像分析流式细胞仪ImageStream100，经不断升级，ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪检测速度和单个细胞的图像质量极大提升，逐渐被科学界认可，让研究者发现图像技术与多种技术融合魅力。今年，全球流式细胞仪领军代表美国BD(Becton Dickinson)公司率先推出新的 BD FACSDiscover S8 细胞分选仪，是将显微成像技术、光谱技术与流式细胞术的完美结合，可视化图像分选细胞CellView核心技术登上了《科学》杂志的封面，掀起一股流式细胞仪创新技术融合与导向，引领科学研究的新手段。 【作者简介】中国科学院水生生物研究所 分子与细胞生物学技术平台负责人 汪艳 高级工程师汪艳，高级工程师，中国科学院水生生物研究所分子与细胞生物学技术平台负责人，18年来专注流式细胞技术领域，发表科研论文三十多篇，参与七项国家自然科学基金项目，获发明专利一项，主持中科院功能开发项目三项，2015年度获BD流式技术“杰出贡献奖”和个人“卓越奖”，2017年度获所个人突出学术贡献奖-技术能手奖。（本文编辑：刘立东KOL） 相关推荐：流式大咖说|FSC与SSC在流式细胞术中的应用——西南医院马清华副研究员流式大咖说|流式检测中最易忽视的时间参数——首都医科大学中心实验室副主任技师徐晓雪 流式大咖说|技术干货|如何去黏连？流式新手绕不开的数据处理难题 流式大咖说|流式细胞技术平台发展与使用心得分享中科院分子细胞卓越中心俞珺璟博士【行业征稿】若您有生命科学、医药、临床等行业相关研究、技术、应用、管理经验等愿意以约稿形式共享，欢迎自荐或引荐投稿联系人：刘编辑word图文投稿邮箱：liuld @instrument.com.cn微信：JaysonXY（备注来意：投稿）

细胞外囊泡（Extracellular Vesicles, EVs）作为蛋白质、mRNA、miRNA、脂质等信息物质在细胞间转运的载体, 是细胞与细胞间通讯的重要媒介，参与大量正常生理和病理过程，包括感染性疾病、自身免疫性疾病、心血管和其他炎症性疾病、癌症和凝血障碍等，因此研究EV在人类健康和疾病中的作用具有重要意义。EVs常分为三类外泌体 (30-150 nm) ，在胞体内区室中形成多囊泡小体，随后与质膜融合后从细胞中释放。微囊泡或微粒 (100-1000 nm) ，这是质膜起泡/出芽以及随后从细胞中释放的结果。凋亡小体 (1000-5000 nm) ，由凋亡细胞释放。目前还没有特异性标记物可以最终鉴定不同类型的囊泡。因此，我们把这些小的生物颗粒统称为细胞外囊泡。细胞外囊泡示意图EVs检测研究表明，不同疾病状态下，组织器官释放到体液中的EVs的数量及所包裹的物质是完全不一样的，因而通过检测分析EVs的特性即可对相关疾病进行精准诊断、预后判断及指导治疗。EVs具有尺寸小、异质性高且数量巨大等特点，一直以来，检测灵敏度都是EVs研究中的一个重大挑战。虽然一些关于EVs的检测是利用传统流式细胞术开展的，但也暴露出了明显的局限性，一方面由于传统流式仪器更适用于检测细胞，而细胞表面结合的荧光分子数量远远多于EVs表面；另一方面，一些传统流式仪器在检测小于500 nm单个颗粒上表现吃力。因此，想要准确的检测EVs，就需要更强大且具备高通量功能的检测工具。Amnis 成像流式的技术优势近年来，随着Amnis成像流式技术的发展，越来越多的研究利用这项技术解决了EVs检测这一难题。Amnis技术的核心是使用时间延迟积分CCD (TDI-CCD)进行信号检测。与光电倍增管(PMT)相比，CCD具有更大的动态范围、更低的“噪声”和更高的量子效率，使其更适合测量微弱信号。与传统流式细胞术相比，这种方法信号整合时间更长，噪音低，灵敏度大幅增加，对研究EVs具有独特的优势。Amnis技术EVs应用案例分享以下研究体现了Amnis 成像流式技术在小颗粒检测中的高灵敏度特点。检测脂质体和微球流式技术对比用常规流式技术 (A-B)和成像流式技术 (C-D)获得的200 nm大小的荧光标记脂质体和不同尺寸的聚苯乙烯珠(220、450、880和1300 nm)。Amnis成像流式可以清晰地分辨出缓冲液背景信号(灰色)以上的所有脂质体(粉色)，而常规流式仅能通过荧光分辨出一小部分脂质体。健康人类供体的血浆微粒检测(a)从6名健康供体中获取无血小板血浆，并使用CD235(红细胞)、CD41(血小板)、CD45(白细胞)和CD146(内皮细胞)标记物进行染色以确定微粒细胞的来源。(b)利用CD14(单核细胞)、CD66b(中性粒细胞)和CD3(淋巴细胞)标记物进一步对白细胞微粒进行表型分析，以确定其来源细胞。下方是图库中事件的代表性图片。(c)表为N = 6例供体的绝对计数±SEM。如图所示，Amnis成像流式技术可实现不同来源的外泌体的精准鉴定与计数。单核细胞内化外泌体检测(a)用Amnis成像流式技术分析PKH67标记的外泌体。BF和FITC荧光图像(E)所示。(b) PKH67预标记外泌体与外周血单个核细胞共孵育。使用AmnisIDEAS软件内化功能测量外泌体的内化程度。Amnis成像流式技术不仅实现了PKH67标记的外泌体鉴定，同时也实现了单个核细胞内化外泌体检测，且呈现直观图像佐证结果准确性。小结综上，Amnis成像流式技术做到了真正意义上的流式数据可视化。既具备传统流式可大量检测样本的特点，又利用高灵敏度TDI-CCD技术针对每个检测到的外泌体颗粒进行成像，并可通过海量形态学数据分析EVs与亲本细胞或靶细胞间的相互作用。Cytek Amnis ImageStreamx Mk II 成像流式细胞分析仪以上研究均通过 Cytek Amnis ImageStreamX Mk II 仪器完成。通过将流式细胞术的表型分析能力、高速度和高灵敏度等优势，与荧光显微镜技术在细胞形态学细节的洞察力和针对细胞功能研究的深度有机结合在一起，Amnis ImageStreamXMk II 平台可高速获取每个细胞的多个图像，包括明场、暗场 (SSC) 和多达 10 色荧光标记。ImageStreamX Mk II 通过高分辨率成像，可以定位荧光蛋白表达位置（细胞膜、细胞质或者细胞核），实现超乎想象的广泛应用需求。技术特点应用广泛：样本利用率高达 95%，可以更高效的方式分析稀有细胞。简单易用：简单友好的用户界面，可实时观察全部细胞图像和统计学数据。配置灵活：最高可升级至 6 根激光器。功能强大：提供数百种量化成像分析参数，实现无与伦比的广泛应用。参考文献：Erdbrügger, Uta, and Joanne Lannigan. "Analytical challenges of extracellular vesicle detection: A comparison of different techniques." Cytometry Part A 89.2 (2016): 123-134.Headland, S., Jones, H., D'Sa, A. et al. Cutting-Edge Analysis of Extracellular Microparticles using ImageStreamX Imaging Flow Cytometry. Sci Rep 4, 5237 (2014). https://doi.org/10.1038/srep05237.Clark, R. Imaging flow cytometry enhances particle detection sensitivity for extracellular vesicle analysis. Nat Methods 12, i–ii (2015). https://doi.org/10.1038/nmeth.f.380.Gurunathan, S. Kang, M.-H. Jeyaraj, M. Qasim, M. Kim, J.-H. Review of the Isolation, Characterization, Biological Function, and Multifarious Therapeutic Approaches of Exosomes. Cells 2019, 8, 307. https://doi.org/10.3390/cells8040307.