Small Science:高通量3D细胞成像

为了识别小细胞亚群和检测罕见的细胞事件,需要对细胞进行大规模分析,通常使用基于荧光强度的流式细胞仪,其可以在几分钟内分析单细胞水平的104~106个细胞。然而,这种流式细胞仪分析需要标记物来识别感兴趣的细胞群,以提高分析的效率。光学显微镜也被用于识别细胞过程的特定阶段(如有丝分裂),但与流式细胞术相比,光学显微镜的通量和进行大规模细胞分析的能力有限,因此很难找到统计上足够数量的细胞。最近,成像流式细胞术(iFCM)得到了迅速发展,以期克服图像分析的吞吐量和数量的限制。但大多数iFCM技术都基于2D图像,无法准确解析和理解组织在三个维度上的关键细胞结构和过程,包括分裂细胞核的形态、细胞内的生化途径和共定位事件。与2D-iFCM相比,高通量3D-iFCM需要额外的图像获取时间,因此较难实现。例如,使用传统的共焦扫描显微镜进行3D成像,其空间中的每个点是按顺序获取的,通常需要几分钟的时间来获取图像。虽然可通过使用声光偏转器提高扫描速度来实现高采样率,但所需的高带宽限制了每个采样时间的光子数量,,导致信噪比降低。

为了促进3D-iFCM在细胞分析方面的应用,东京大学Sadao Ota团队近日在Small Science上发表了研究文章,报道了一种高速的iFCM方法。该方法能以超过每秒2000个细胞的检测通量获得3D细胞图像,从而详细分析细胞内结构。

在本文中,作者首先介绍了所开发的3D光片iFCM的工作原理(如上图):细胞在y轴方向上以恒定速度进行平行流动,同时在z轴方向上的通道中心对齐;通过使用斜面显微镜,可在与通道对角相交的平面处获得通道横截面的图像,再基于连续获取的静止斜面的图像,完成对平移细胞的3D扫描。

接着,作者使用单个细胞进行了测试。在100个连续帧中,成功重建了单个细胞的3D图像,其中细胞膜和细胞核的结构清晰可辨,并能够在空间上解析各个方向上的亚细胞结构。在高通量成像实验中,作者使用600帧重建了724×433×38 μm区域中细胞群的3D图像,并使用细胞分割算法计算了在833 ms的采集时间内获得的2682个细胞信息。在每秒3220 个细胞的高检测吞吐量下,仍可在横截面图像中清楚分辨在深度方向上重叠的细胞(上图f)。

此外,作者在这项工作中还研究了具有声聚焦的细胞平行流动,并进行了高通量并行3D-iFCM实验。结果表明,由该装置进行的3D-iFCM可实现每秒2312个细胞的检测通量,并能以105个细胞的数量级进行大规模的3D图像分析。可以预计,该方法有望用于快速、大规模的3D细胞结构筛选,帮助研究者在单细胞水平上准确分析细胞。

文章信息:

High-Throughput Parallel Optofluidic 3D-Imaging Flow Cytometry

Masashi Ugawa, Sadao Ota*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100126

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smsc.202100126