用3D成像流式，对细胞球状体进行3D高速成像

niwanmao

想象一下，有一台机器可以快速扫描悬浮的3D细胞培养物，并以全3D重建其复杂的结构。这是多么的令人向往。

这种名为“3D成像流式细胞术”（3D-iFCM）的新成像平台结合了尖端的微流体、声学和显微镜方法。 在最近发表在Small Methods上的一项研究中，科学家们通过在2小时内对超过10000个细胞进行成像来展示该系统的能力。

下图就是用于分析贴壁3D细胞培养物的可扩展、高通量3D成像流式细胞术（3D-iFCM）平台。 i）首先，将分离的粘附细胞与藻酸盐水凝胶微球一起孵育，使得多个细胞可以附着到每个微球上。 当细胞增殖并覆盖微球表面时，形成球状结构。 ii）然后，使所述球状体在微流体通道中流动，其中通过使用基于单个物镜的荧光光幕成像技术对所述通道的对角2D横截面连续成像。 在微通道中，使用声学和流体动力学聚焦的组合，将样本的位置限制在流速均匀的矩形区域内（右上方案中的灰色区域）。 iii）使用该装置，记录聚焦的球状体的光学切片的2D图像的时间序列，并将它们堆叠以重建3D图像，iv）执行定量3D图像分析。




为什么要对球状体进行3D成像？
许多生物医学研究依赖于称为spheroid(细胞球状体)的3D细胞培养。 细胞球状体比标准的2D细胞培养物更好地模拟真实组织的结构和功能。 癌症研究人员使用肿瘤球体来研究癌症行为和测试药物。 干细胞科学家利用干细胞球状体来开发器官替代品。
为了全面分析细胞球状体，必须进行3D成像。 典型的显微镜成像单个切片。 但是重建整个3D架构需要随着时间的推移将多个z堆栈图像拼接在一起。 这个过程低效且费力，并且不能很好地扩展。
新的3D-iFCM技术通过其快速、自动的3D扫描克服了这些挑战。 我们来分析一下它是如何工作的。

声波+流体力学=均匀流
第一项创新涉及利用声波和流体力学在微流体通道中排列和分隔球状体。
当它们流过通道时，声换能器使用高频声波将球体聚焦到中间。 接下来，两个鞘流使球状体在通道宽度上居中。
这种声学和流体动力学串联聚焦确保球体均匀移动。 就像汽车均匀地分布在多条高速公路车道上。 流畅的流程可实现快速3D扫描。

单镜头高速拍摄
接下来，排成一行的球状体在显微镜的单镜头下流动。 当球状体滚动通过这个光学平面时，荧光显微镜可以看到它们的阴影轮廓，以每秒300帧的速度捕捉这些流动的轮廓！
通过采集每个球状体的多个切片，显微镜可以重建整个3D结构。 就像CT扫描仪一层一层地构建3D图像。


高通量、高精度3D重建
研究人员使用带有荧光标记的细胞膜和细胞核的狗肾球状体测试了这种成像系统。 声学和流体动力学流将球体聚焦在0.6mm宽的流中。

3D-iFCM在全速运转时，达到了每秒59个球状体的惊人速度。 看看这个，每秒能成像超过1300个细胞！

成像精度同样令人印象深刻。 对重建球体的详细分析揭示了粘附细胞与悬浮细胞的细胞核之间的关键差异。 这个大型数据集展示了3D-iFCM可实现的吞吐量和准确度。

加速球状体科学研究
这种超快速3D成像平台有望加速球体研究和药物筛选。 实验室现在可以比以前更快地构建大量3D细胞图像库。 这样的话，拥有数十万球状体图像的大型生物库就具备足够的可行性，机器学习算法可以挖掘这些大数据集，以发现微妙改变，可以加速找到有效的药物配方或最佳干细胞衍生物。 高通量增强的统计能力可以使研究结论更加稳健。


更广泛的应用

除了球状体，该系统还可以在悬浮细胞高速3D成像得到广泛应用。 举例来说：

- 筛选药物对血液中肿瘤细胞簇的影响
- 快速识别液体活检中的病原体
- 分析生育治疗中的胚胎发育
- 分析溶液中的免疫细胞相互作用
- 评估人工细胞疗法的质量

就像早期的光学显微镜给细胞生物学带来了巨大的飞跃一样，这种新的成像系统可能会促进跨学科的发现。

总结要点：
- 新型3D成像流式细胞术（3D-iFCM）平台每秒可成像数千个球状体
- 声学和流体动力学流使球状体均匀排列，以实现快速扫描
- 显微镜捕捉流动的球状体以重建复杂的3D结构
- 系统达到59个球状体/秒，在2小时内分析超过10000个细胞
- 大数据集将加速球体研究和机器学习
- 在药物筛选、胚胎学、免疫学等方面有着广泛的应用前景。
- 这款快速的3D成像仪就像是一台“CT扫描仪”，可以用来扫描球状体，


参考文献：Yamashita M, Tamamitsu M, Kirisako H, et al. High-Throughput 3D Imaging Flow Cytometry of Suspended Adherent 3D Cell Cultures. Small Methods. Published online December 22, 2023. doi:10.1002/smtd.202301318

Yuck

这设备一装机，流水的文章啊。