本文介绍了一种标准化的高内涵成像及数据处理方案,用于对碘化丙啶(PI)/Hoechst 33342染色的细胞进行自动化图像采集与分析,以实现可重复的细胞活力分析。
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本文介绍了一种标准化的高内涵成像及数据处理方案,用于对碘化丙啶(PI)/Hoechst 33342染色的细胞进行自动化图像采集与分析,以实现可重复的细胞活力分析。
为解决科学研究成像中因操作差异导致的低重复性问题,以及传统方法在分析大量样本时的复杂性,本文介绍了一种对HT22细胞进行PI和Hoechst 33342染色后,利用高内涵成像系统进行成像与数据分析的实验方案。该工作流程旨在建立稳健的成像参数设置和严格的质控标准,展示了仪器提供的三种不同图像处理方法的操作设置及流程:多波长细胞评分法(Multi-Wavelength Cell Scoring, Multi)、活-死细胞分析法(Live-Dead, Live)以及自定义模块编辑器(Custom Module Editor, CME)。这些图像处理方法与传统ImageJ方法进行了比较和验证,以确保其有效性。本研究最终总结出一套利用高内涵成像系统结合PI与Hoechst双染法测定细胞活力的标准化工作流程。通过全程标准化成像与数据处理流程,显著提升了科学研究成像的可重复性与可靠性,为跨实验室数据比较提供了坚实的的方法学支持,推动了科学研究的发展。
高内涵成像系统是现代科学研究中的关键工具,能够实现对受损或未受损细胞的高速成像和多参数评估1,2,3。它在多个学科领域中发挥着不可替代的作用。在生命科学领域,该系统帮助研究人员探索细胞与组织的微观世界4,5。例如,通过精确检测细胞内荧光标记的分子和结构,可清晰呈现细胞的精细结构及其动态变化过程6。在神经科学研究中,该系统可实现神经元的三维成像,有助于分析神经网络复杂的连接方式和信号转导机制,为理解脑功能及神经系统疾病的发病机制提供重要线索7,8,9。
尽管高内涵成像系统技术具有显著优势,其成像过程仍存在若干问题。在样品制备阶段,操作具有较高的主观性。在生物样品制备过程中,细胞处理和染色等步骤缺乏相应的标准。在成像参数方面,不同实验室及不同型号的高内涵显微镜在曝光时间与孔板选择上存在显著差异。在数据处理阶段,从原始图像的去噪与对比度调整,到目标特征参数的识别与确定,均缺乏标准化流程。这些问题直接导致显微成像结果出现偏差,引发可重复性危机。
本方案使用一种商业化的细胞系(HT22,ATCC),不涉及人类受试者或原代人类组织。本研究未使用动物。
1. 标准化样品制备
2. 成像规格与参数设置
3. 图像处理与分析
注意:本文档概述了仪器配套软件提供的三种图像处理方法,这些方法均适用于本研究中使用的染色方案。尽管这些方法在识别的基本原理上相同,但在具体的处理技术和数据结果类型上存在差异。相同的图像处理工作流程如下:打开文件 → 使用相应的处理方法加载原始图像 → 设置适当的通道参数 → 生成掩膜(Mask) → 在“测量(Measure)”中设置测量数据类型 → 运行分析 → 观察结果 → 导出数据。
标准化制备对成像质量的影响
配置了培养板参数,以确保仪器能够可靠地定位细胞图像层。将样本制备为中等汇合度的单层细胞,有助于在不同物镜放大倍数下实现图像聚焦,并提高图像识别和定量分析的效果(图1)。
图像计算方法功能的比较
采用PI/Hoechst 33342双染法区分活细胞与死细胞。多波长细胞评分法、活-死细胞分析法和CME法通过基于荧光强度和物体大小识别目标成功处理了这些图像,而ImageJ则基于灰度值识别目标。这些方法获得的标记结果总体上具有可比性(图3A–E)。
多波长细胞评分法需要进行细胞核染色以识别所有细胞(图4A)。该方法可处理多达7个成像通道,并计算细胞数量、面积和光密度等参数。
Live-Dead 法比多波长细胞评分法更灵活。两个通道均提供用于细胞核染色、细胞质染色或联合的细胞核-细胞质染色模块,以识别所有细胞、活细胞或死细胞。分割接触对象功能可分离重叠的对象,从而实现对细胞数量、面积和光密度的计算。然而,由于该方法仅处理双通道数据,因此特别适用于 PI/Hoechst 33342 双染的细胞活力检测(图 4B)。
CME 方法依赖于用户自定义的图像处理逻辑。处理的通道数量与采集的通道数量相对应。通过使用“填充孔洞”、“反转对象”、“扩展对象”、“收缩对象”、“逻辑运算”、“去除边界对象”、“保留标记对象”、“无接触扩展对象”、“标记对象中心”、“分水岭”、“去除标记对象”和“滤波掩模”等函数对识别结果进行优化,以消除杂质及其他干扰因素。该方法还可用于计算多个对象参数,以实现多维分析。
ImageJ 无法同时处理多个通道。对于背景变化较大的图像批次,需要进行手动处理和阈值调整,从而增加了主观性并降低了可重复性。
加工结果差异分析
对图像处理方法的比较分析显示,在9个视野范围内,多波长细胞评分法、活死细胞检测法、CME法、ImageJ法以及传统人工计数法在总细胞数、死细胞数及死细胞与总细胞数之比方面均无显著差异(图5A–C,补充文件1)。
同样,在多波长细胞评分法、活死细胞染色法、CME法和ImageJ法之间,死细胞面积与总细胞面积的比值均未观察到显著差异。然而,基于来自81个视野的数据,在多波长细胞评分法、活死细胞染色法和CME法之间,死细胞平均荧光强度与所有细胞平均荧光强度的比值存在显著差异(图5D–F)。
根据这些发现,建立了高内涵成像系统的标准化工作流程(图6)。

图1:低质量成像结果。(A)视野靠近孔边缘,显示出孔边缘的阴影(本例为BV2细胞)。(B)箭头a和b指示DAPI通道与明场(TL)通道中细胞重叠,细胞密度过高,甚至出现第二层细胞或部分漂浮细胞。(C)视野中无细胞;可能是培养板参数设置错误、焦平面未对准细胞层,或细胞未染色,导致该视野下无图像。比例尺 = 100 µm。 请点击此处查看此图的放大版本。

图2:成像参数设置。(A)箭头a指示位深度图标。(B)箭头b指示阴影校正的位置。请点击此处查看此图的放大版本。

图3:通过多种方法识别的同一视野结果。(A)多波长细胞评分掩膜结果:灰色和红色区域表示在DAPI通道中识别的所有细胞核,其中红色区域表示在Cy3通道中识别的死细胞核。(B)活-死细胞掩膜结果:绿色和红色区域表示在DAPI通道中识别的所有细胞核,其中红色区域对应于在Cy3通道中识别的死细胞核。(C)CME掩膜结果:黄色和蓝色区域表示在DAPI通道中识别的所有细胞核,其中蓝色区域对应于在Cy3通道中识别的死细胞核。(D)DAPI通道中的ImageJ掩膜结果。(E)Cy3通道中的ImageJ掩膜结果。比例尺 = 100 µm。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:部分参数设置页面。(A)a 所指示的位置显示,多波长细胞评分的第一通道只能选择细胞核;(B)b 和 c 表示活死细胞检测仅能处理两个通道,支持 PI/Hoechst 33342 双染法用于死细胞和活细胞的区分。请点击此处查看该图的放大版本。

图5:荧光图像处理结果的差异。(A)五种处理方法在总细胞计数上的差异。(B)五种处理方法在死细胞计数上的差异。(C)五种处理方法在死细胞占总细胞比例上的差异。(D)四种处理方法在死细胞占总细胞比例上的差异。(E)四种处理方法在死细胞面积占总细胞面积比例上的差异。(F)四种处理方法在死细胞平均荧光强度与总细胞平均荧光强度比值上的差异。图表中所有误差线均表示标准差。请点击此处查看该图的放大版本。

图6:标准化操作流程。工作流程总结了样本制备、荧光染色、高内涵成像、图像处理、图像导出和数据分析的标准化操作步骤。请点击此处查看此图的放大版本。
补充文件1:图5中细胞计数、面积和荧光强度分析的原始数据。 请点击此处下载该文件。
例如,采用PI与Hoechst双染法检测细胞活力时,高内涵仪器可通过内置的算法模块,快速、高通量地计算同一批次中的细胞活力。该方法具有多种优势,包括样本用量少、成本低、对细胞损伤小、荧光漂白弱、抗淬灭性强,以及能够获取多张图像。此外,对96孔板进行成像通常仅需30–45分钟20。
在实验方案中,为确保成像质量,请关注以下步骤:首先,确保培养板的细胞密度适宜,避免密度过高导致图像中细胞过满,或密度过低导致染色和洗涤过程中细胞被冲走。其次,充分洗涤染料,防止残留染料影响成像效果。对于贴附性较弱的细胞,在染色前后添加或移除液体时应轻柔缓慢操作,避免垂直加液;应沿孔壁加液,以防止视野中心区域细胞脱落,并在活率检测时特别注意死细胞的脱离。必要时可考虑对样品板进行离心,以减少实验误差。第三,选择合适的曝光时间:曝光时间过长会增加整体成像时间,可能错过检测窗口,并可能导致部分细胞过曝或背景被误识别;曝光时间过短则可能导致图像信息不完整,丢失某些特征性细节。
如果在成像过程中无法获得清晰的图像,应从细胞状态、染料残留、参数设置及其他因素逐步排查问题。实验过程中,若孔底部无细胞,则视野中将无法找到图像。若孔底部形成两层或更多不均匀的细胞层,则聚焦困难,导致图像模糊。染料残留过多会导致背景过强,使目标图像不够明显。大块的染料残留可能遮挡视野中的细胞,而大小与细胞相近的微小残留颗粒则可能干扰后续的图像识别与分割。若未根据96孔板制造商的规格正确设置板高和孔高,则视野中可能无法找到图像,或样品位置发生偏移,甚至可能损坏物镜。
考虑到操作的灵活性和简便性以及良好的数据处理结果,PI与Hoechst双染色法的最佳图像处理模块为Live-Dead。该程序专门针对PI和Hoechst染料进行了优化,相较于其他方法和软件,操作简便、计算速度快,并支持将图像批量导入数据库,且参数设置保持一致。其结果的可比性优于目前常用的ImageJ软件。不同实验模式可采用相应的专有方法或“多波长细胞评分”通用计算模式;专有方法使用更便捷,而通用计算模式对染色方法的限制较少。不同的染色方案需要匹配不同的最优图像处理模块。应根据实验目标开发定制化的计算方法。图像导出采用ExportPro方法,操作简单易学,支持预览参考对象。该方法对初学者友好,图形界面能清晰解释参数含义,简化测量流程,降低多软件分析的门槛,节省工具学习时间。
本研究仅验证了一种基本的染色方案。作为参考,其他与本方案差异较大的实验方案仍需针对新标准进行验证。
高内涵成像系统作为一种核心技术平台,集成了高分辨率成像、多参数同步检测、自动化定量分析和高通量筛选功能21,22,23。该设备在成像与计算能力方面的集成化设计,有望推动更多现有成像实验相关实验方案和计算模型的开发与建立7,24,最终提升不同操作人员、不同时间及不同批次所获得数据的一致性和可比性。
所有作者声明不存在利益冲突。在翻译稿件过程中,智谱AI仅用于翻译,未用于生成研究数据、实验结果或核心学术内容。作者对稿件内容承担全部责任。
作者感谢成都中医药大学校级基金提供的支持。作者感谢MPRC2022034项目资助的支持。该资金用于开发一种三维动态成像方法,以研究二陈汤治疗单纯性肥胖小鼠过程中肠道菌群的变化。作者感谢成都中医药大学中医药创新研究院和交叉科学研究所提供的研究平台。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 离心管 | Labigic Technology Co., Ltd. | MCT-001-150 | |
| 1000 µL 吸头 | Labigic Technology Co., Ltd. | 35423003E | |
| 15 mL 离心管 | Labigic Technology Co., Ltd. | CT-002-15A | |
| 2.5 µL 吸头 | 青岛海尔生物医疗股份有限公司 | B10T | |
| 200 µL 吸头 | Labigic Technology Co., Ltd. | T-001-200 | |
| 50 mL 离心管 | Labigic Technology Co., Ltd. | CT-002-50A | |
| 96孔细胞培养板 | 康宁公司 | 3599 | |
| 可调式单通道移液器,0.1–2.5 μL | Eppendorf SE | 3120000216 | |
| 可调式单通道移液器,100–1000 μL | Eppendorf SE | 3120000267 | |
| 可调式单通道移液器,20–200 μL | Eppendorf SE | 3120000259 | |
| 可调式单通道移液器,2–20 μL | Eppendorf SE | 3120000232 | |
| 细胞培养皿 | 康宁公司 | 430167 | |
| 冻存管 | Labigic Technology Co., Ltd. | BS-20-ST | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | 北京索莱宝科技有限公司 &科技有限公司 | D8371 | |
| 杜尔贝科改良伊格尔培养基(DMEM) | Life Technologies Limited | 11966-025 | 本研究中,完全DMEM培养基的配制成分为10% FBS、1%青霉素-链霉素溶液和89% DMEM。 |
| ESCO CelCulture CO2 培养箱 | Esco Micro Pte. Ltd. | CCL-170B-8 | |
| 胎牛血清(FBS,超纯) | 普罗赛尔生命科学 & 技术有限公司 | 164210-50 | |
| Hoechst 33342 荧光染料 | 北京索莱宝科技有限公司 &科技有限公司 | B8040 | |
| HT22细胞 | 普罗赛尔生命科学 & 技术有限公司 | CL-0697 | |
| ImageJ | 美国国立卫生研究院 | ImageJ 是本文中使用的一种图像处理软件。 | |
| ImageXpress Micro Confocal 高内涵成像系统 | Molecular Devices, LLC | ImageXpress Micro Confocal | 在文稿中使用 "高内涵成像系统" 作为仪器名称的替代。 |
| 低速冷冻离心机 | 湖南湘仪实验室仪器开发有限公司 | L530R | |
| MetaXpress 高内涵成像采集与分析软件 | Molecular Devices, LLC | 该软件是ImageXpress的配套软件® 微型共聚焦高内涵成像系统。在文稿中, "设备附带的分析软件" 指此软件。 | |
| OptiMair 垂直层流洁净工作台 | Esco Micro Pte. Ltd. | ACB-4E1 | |
| Parafilm M | Pechiney Plastic Packaging Inc. | PM996 | |
| PBS | 上海宇淳生物科技有限公司 | YC-5013 | |
| 青霉素-链霉素溶液 | 普罗赛生命科学 & 技术有限公司 | PB180120 | |
| 碘化丙啶溶液(PI) | 北京索莱宝科技有限公司 &科技有限公司 | C0080 | |
| 胰蛋白酶-EDTA 溶液 | BasalMedia Technology Co.,Ltd. | S310KJ |
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