Name: 无透镜片上的细胞成像提供了一种高通量细胞生物学和医疗诊断的新工具 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2009-12-14T17:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 19 s
Description: 了解Lucas无透镜片上成像技术用于高通量细胞生物学和医疗诊断。该平台无需传统物镜，通过阴影成像实现超宽视场细胞监测，适用于资源匮乏环境。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

本文讨论了LUCAS所涉及的实验步骤[1-3]。为了说明LUCAS的概念验证，我们将描述全血样本的成像过程。
A. 成像装置设置
LUCAS成像平台具有显著优势，可为现有的即时细胞分析和医学诊断工具提供一种经济高效且紧凑的替代方案，尤其适用于资源有限的环境。LUCAS并非直接检测细胞的图像，而是通过捕获由每个细胞散射光与背景光干涉形成的细胞数字全息图来实现成像。对照明部分空间相干性的精确控制对于实现全息记录至关重要。
1. 数字传感器阵列
LUCAS 平台利用光电传感器阵列对单个细胞的全息图进行数字记录。为此，可使用电荷耦合器件（CCD；样品型号：KAI-11002、KAF-39000，来自柯达）或互补金属氧化物半导体芯片（CMOS，样品型号：MT9P031，Micron）。柯达电荷耦合器件 KAI-11002、KAF-39000 和 Micron CMOS 图像传感器的像素尺寸分别为 9 μm、6.8 μm 和 2.2 μm，其有效视场（FOV）分别为 10 cm²、18 cm² 和 24.4 mm²。[1-2]
2. 光源
与其他大多数显微成像方式不同，LUCAS 不需要激光，因此甚至可以使用简单的发光二极管（LED）进行照明。为了实现可调波长的照明，我们还可以使用配备氙灯的单色仪（Cornerstone T260，Newport Corp.），并结合标准级熔融石英光纤，该光纤由一束光纤组成（77564，Newport），并在距传感器表面约 5–10 cm 处设置一个直径约为 100 μm 的针孔。这种可调波长照明配置提供了一个灵活的平台，可调节细胞的全息特征，并可合成混合数字特征，以提高信噪比，从而实现更准确和特异的表征。[3]
B. 样品制备与成像
将使用一种异质溶液演示基于芯片成像的LUCAS概念验证，具体方案如下所述。类似方案也可应用于多种其他细胞类型[1-3]。
1. 全血稀释及异质溶液的制备
<ol>
	<li>开始操作前，获取全血样本以及不同直径的聚苯乙烯微球（5、10 和 20 μm，Duke Scientific），并将所有材料恢复至室温。</li>
	<li>向一个无菌的 5 mL 聚丙烯管中加入 2 mL RPMI 1640 经典液体培养基（Fisher Scientific），作为稀释液。</li>
	<li>将全血样本孵育 30 分钟后，用移液器吸取 10 μL 沉降的红细胞样本，并转移至 RPMI 溶液中。</li>
	<li>向红细胞 RPMI 稀释液中加入总共 20 μL 的聚苯乙烯微球，通过轻柔吹打或使用磁力搅拌器配合搅拌子，充分混匀细胞悬液。</li>
	<li>取 5–15 μL 的混合溶液滴加到一片盖玻片上，再用镊子将另一片相同的盖玻片覆盖在溶液上方，使样品均匀夹在两片盖玻片之间。</li>
	<li>随后，使用真空笔（NT57-636，Edmund Optics）将样品加载至传感器阵列的成像活性区域进行成像。</li>
</ol>
2. 全血染色
<ol>
	<li>首先制备0.1%缓冲伊红Y与稀释新亚甲蓝溶液的混合液，所用试剂包括粉末型高纯度伊红Y（分子量=691.85，Acros Organics）、无锌高纯度新亚甲蓝染料（分子量=347.90，Acros Organics）以及一水草酸钾（99.0% ACS级试剂，Acros Organics）；每种溶液均使用孔径为0.45 μm的一次性注射器滤器（Whatman）过滤纯化，用于水相白细胞染色。</li>
	<li>然后，在聚丙烯烧杯中按1:1体积比，将溶解后的水相染色试剂与全血样本混合，并使用磁力搅拌器轻柔搅拌2分钟，随后静置孵育10分钟。</li>
	<li>取50 μL染色后的血液溶液转移至5 mL聚丙烯离心管中，加入1.95 mL RPMI 1640经典液体培养基（Fisher Scientific），使总体积稀释比例达到1:200。随后涡旋振荡稀释液30秒。此步骤中也可采用其他稀释比例。</li>
	<li>将10–100 μL染色后的细胞溶液滴加于盖玻片之间或微流控储液池内，然后使用真空移液笔（NT57-636，Edmund Optics）将样本转移至传感器阵列的活性区域。</li>
</ol>
代表性结果
<img alt="显微镜分析；40倍和LUCAS图像；中性粒细胞、微珠、红细胞鉴定；细胞研究" border="0" src="/files/ftp_upload/1650/1650Fig1tmb.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图1"> 
图1： LUCAS 能够基于各种细胞和微小物体的二维全息特征，在无需使用任何透镜、激光器或其他庞大光学元件的情况下，实现对它们的精确定量和数字区分。本图展示了不同微小物体典型的 LUCAS 特征，并与采用 40 倍物镜获得的传统显微镜图像进行了对比。请<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/1650/1650Fig1.jpg">点击此处</a>查看图1的放大版本。
<img alt="血细胞分析，标记图比较红细胞与微珠，显微镜实验。" src="/files/ftp_upload/1650/1650Fig2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图 2"> 
图 2：（左）包含红细胞、10 µm、5 µm 和 3 µm 微粒的异质混合物的原始图像。（右）同一视野下全自动 LUCAS 表征结果的示意图。请注意，该决策算法在表征高密度区域以及信噪比较低的微粒（如 3 µm 微珠）时均表现出良好的鲁棒性。
<img alt="粒子追踪软件界面；显微镜图像分析，实时数据可视化，UCLA 实验室。" border="0" src="/files/ftp_upload/1650/1650Fig3tmb.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图3"> 
图3： 展示了LUCAS定制界面。基于Java的LUCAS软件允许输入多种实验条件，例如传感器像素尺寸或光的波长。用户还可以在图像上选择特定的视野，并自定义目标细胞模式，以构建统计学细胞阴影库。随后，可根据这些训练数据（即细胞阴影库）对获取的LUCAS图像进行表征，并将标记（计数）后的图像显示给用户。计数结果的统计信息也会以XML文件形式保存，供进一步分析使用。

<ol><li>Seo, S., Su, T., Tseng, D. K., Erlinger, A., Ozcan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((%22Lensfree+Holographic+Imaging+for+On-Chip+Cytometry+and+Diagnostics%22%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">"Lensfree Holographic Imaging for On-Chip Cytometry and Diagnostics".</a> Lab Chip. , (2009).</li>
<li>Su, T., Seo, S., Erlinger, A., Ozcan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((%22High-throughput+Imaging+and+Characterization+of+a+Heterogeneous+Cell+Solution+on+a+Chip%22+%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnology+and+Bioengineering%22%5BJournal%5D)">"High-throughput Imaging and Characterization of a Heterogeneous Cell Solution on a Chip" .</a> Biotechnology and Bioengineering. , (2008).</li>
<li>Su, T., Seo, S., Erlinger, A., Ozcan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((%22Multi-color+LUCAS%3A+Lensfree+on-chip+cytometry+using+tunable+monochromatic+illumination+and+digital+noise+reduction%22%5BTitle%5D)+AND+%22Cellular+and+Molecular+Bioengineering%22%5BJournal%5D)">"Multi-color LUCAS: Lensfree on-chip cytometry using tunable monochromatic illumination and digital noise reduction".</a> Cellular and Molecular Bioengineering. , (2008).</li>
</ol>

我们已证明，LUCAS 平台能够基于微对象/细胞的全息特征，在芯片上准确计数并识别多种微小对象/细胞，为即时医疗诊断和高通量细胞生物学研究提供了有前景的工具。为了精确处理记录的全息图样，我们开发了一套定制的 LUCAS 决策软件。该算法利用通过 LUCAS 图像训练建立的统计衍射图像数据库，识别异质溶液中细胞的多种特征；对单个细胞的类型及其相对位置进行分类，并在应用阈值处理以剔除不需要的颗粒/细胞图样后，统计目标细胞类型的数量[1-3]。
总之，LUCAS 平台将为即时检验细胞计数和医学诊断提供一种经济高效且紧凑的解决方案。因此，LUCAS 尤其适用于资源有限地区对艾滋病患者的监测，以及其他与全球健康相关的问题，如疟疾和结核病。

<table><tbody><tr><td>电荷耦合器件 (CCD)</td><td>KODAK</td><td>KAI-11002</td><td></td></tr><tr><td>电荷耦合器件 (CCD)</td><td>KODAK</td><td>KAF-39000</td><td></td></tr><tr><td>互补金属氧化物半导体 (CMOS)</td><td>Micron</td><td>MT9P031</td><td></td></tr><tr><td>氙灯</td><td>Newport Corp.</td><td>Cornerstone T260</td><td></td></tr><tr><td>真空镊子</td><td>Edmund Scientific</td><td>NT57-636</td><td></td></tr><tr><td>5、10 和 20 &amp;mu;m 微珠</td><td>Thermo Fisher Scientific, Inc.</td><td>4000 系列</td><td></td></tr><tr><td>RPMI</td><td>Fisher Scientific</td><td>1640</td><td></td></tr><tr><td>纯伊红 Y</td><td>Acros Organics</td><td>MW=691.85</td><td></td></tr><tr><td>新亚甲蓝 (NMB) 染料</td><td>Acros Organics</td><td>MW=347.90</td><td></td></tr><tr><td>一水草酸钾</td><td>Acros Organics</td><td>99.0% 分析纯试剂 (ACS)</td><td></td></tr></tbody></table>

无透镜片上细胞成像技术为高通量细胞生物学与医学诊断提供了新工具

Lensless On-chip Imaging of Cells Provides a New Tool for High-throughput Cell-Biology and Medical Diagnostics

传统的光学显微镜通过物镜与其他透镜及光学元件协同工作来对细胞进行成像。尽管这种方法非常有效，但这种经典方法在将成像平台微型化以适应微流控技术先进水平方面存在一定的局限性。在本报告中，我们介绍了无透镜片上成像概念LUCAS（LenslessU超宽视场C细胞监测一个rray 平台基于S阴影成像）无需任何显微镜物镜或其他笨重的光学组件，即可对异质细胞溶液进行成像，视场超宽，最大可达约 18 cm2此外，与传统显微镜不同，LUCAS 能够在约 5 mm 的景深范围内对目标异质细胞溶液进行成像，无需重新对焦，对应的样本体积可达约 9 mL。该成像平台记录视场内每个目标细胞的阴影（即无透镜数字全息图），通过自动化的数字图像处理，可确定溶液中细胞的类型、数量及相对位置。由于无需任何笨重的光学元件或机械扫描装置，该平台显著实现了小型化，同时降低了成本，这对于即时诊断工具尤为重要。此外，该平台的成像通量比传统光学显微镜高出数个数量级，因此在高通量细胞生物学实验中具有极高的应用价值。

展示了无需透镜的片上细胞成像与表征技术。这种片上细胞成像方法为医学诊断和高通量细胞生物学应用提供了一种紧凑且成本效益高的工具，特别适用于资源匮乏的环境。

传统的光学显微镜通过物镜与其他透镜及光学元件协同工作来对细胞进行成像。尽管这种显微镜...

本视频展示了名为Lucas的片上透镜阵列成像技术的概念验证。Lucas是“基于阴影成像的透镜阵列超大视场细胞监测平台”（lens list ultra wide field of view cell monitoring array platform based on shadow imaging）的缩写。与传统的成像装置不同，Lucas平台无需任何显微镜物镜或其他体积庞大的光学组件。对于 Lucas 而言，待测样本被放置在显微镜载玻片上，并用一片相同的盖玻片轻轻夹住。使用真空笔将样本加载到光电传感器阵列的活性区域。成像平台随后记录其视场内每个目标细胞的阴影或透镜列表数字全息图。对这些细胞阴影进行自动化的数字处理，可确定溶液中细胞的类型、数量及其相对位置。视场范围最大可达18平方厘米，景深约为5毫米。所获取的衍射图像随后通过定制开发的决策算法进行数字处理，从而实现对目标细胞或颗粒的表征与识别。Lucas 提供了一个微型化平台，可降低基于成像实验的成本并显著提高通量，使其能够与微流控和生物研究领域的先进尖端技术兼容。大家好，我是来自加利福尼亚大学洛杉矶分校电气工程系 ROM 生物与纳米实验室的 ROM Bio，这位是同样来自纳米与生物光子学实验室的 Anthony Erlinger。今天我们将向您展示一种对异质性 SA 溶液（如全血样本）进行高通量、无透镜成像的实验方法。本实验室采用一种新型成像技术，我们称之为基于阴影成像的透镜阵列超宽场细胞阵列监测平台，简称Lucas。现在开始操作。首先，取3毫升全血以及不同直径的聚苯乙烯微珠（如5、10和20微米），将其置于室温下平衡30分钟。使用血清学移液管，将两毫升 RPMI 1640 经典液体培养基作为稀释液加入无菌的五毫升聚丙烯管中。经过 30 分钟沉降后，从全血采集管底部吸取 10 微升红细胞样本，并转移至 RPMI 溶液中。向红细胞 RPMI 稀释液中加入总量为 20 微升的聚苯乙烯微珠，并通过轻柔吹打混匀细胞溶液。使用镊子将五至 15 微升的异质溶液转移至盖玻片上。在溶液上放置第二片相同的盖玻片，使样品均匀地夹在两片盖玻片之间。然后使用真空笔将样品加载到传感器阵列的成像活性区域。然后通过将0.1%缓冲液与稀释的新亚甲蓝（NMB）溶液按体积比2:1混合，制备水相染色试剂。有关制备缓冲液和新亚甲蓝溶液的详细步骤，请参见随附的书面实验方案。接着，在聚丙烯烧杯中，将ACOA染色试剂与全血样本按1:1体积比混合，并使用磁力搅拌器搅拌2分钟。混合完成后，将溶液于室温孵育10分钟，随后将1.99毫升RPMI 1640经典液体培养基加入5毫升聚丙烯管中。接下来，将10微升染色后的血液溶液转移至RPMI中，使体积比达到1:200。然后涡旋振荡溶液30秒，用移液器将10至100微升染色细胞溶液滴加在盖玻片之间或微流控储液池内。随后使用真空笔将样品放置于传感器阵列的活性区域。Lucas 平台利用光电传感器阵列对无透镜细胞全息图进行数字记录。为此，可采用电荷耦合器件（CCD），以实现可调波长照明；该系统包括带有氙灯的单色器，以及标准级熔融石英光纤，该光纤由一束光纤组成，其末端具有约100微米直径的针孔，位于传感器表面以上约5至10厘米处，可用于可调波长照明。这种照明方式提供了一个灵活的平台，可精细调节细胞的全息特征，并通过合并多个波长合成混合数字信号，从而提高Lucas图像的信噪比和对比度。为了实现更精确的表征，将夹在两张盖玻片之间的待测样本置于传感器阵列的活性区域，并由光源进行均匀照射。异质溶液中每个细胞或微小物体的衍射全息图投射到传感器阵列上，形成卢卡斯图像。所获取的卢卡斯衍射图像由自主开发的决策算法进行处理，该算法利用统计学衍射图像数据库，实现对目标细胞或微小物体的自动表征与识别。该图显示了包含5、10和20微米聚苯乙烯微珠及红细胞的异质溶液在40倍物镜下的常规图像。这些颗粒的三维形态、折射率和内部结构复杂性均各不相同。这些特征中的一部分可以在普通显微镜下区分，但在Lucas平台上的视场范围非常有限，小于0.5平方毫米。所有这些微粒都表现出如同指纹般独特的全息图样，因此可以根据其二维纹理进行明确表征。Lucas 可以监测一个超宽的视场，其大小可达到 10 至 20 平方厘米。这比基于标准透镜的显微镜的视场大几个数量级。这是使用 Lucas 平台对染色全血样本进行 40 倍物镜成像的结果。通过改变细胞核的折射率和散射特性，染色白细胞的内部特征可有效产生差异。传感器阵列记录每个细胞独特的衍射图样。这体现了Lucas平台作为强大的即时细胞计数和诊断工具的另一优势。作为一种用于快速表征目标细胞的全自动化平台，Lucas 衍射图像通过定制开发的决策软件进行数字化处理。在本图中，该界面处理了红细胞与微珠的异质混合物。该算法能够稳健地检测高密度区域，以及信噪比较低的颗粒，例如直径为三微米的微珠。此处展示了 Lucas 自定义界面中的一个处理后图像。该软件允许输入多种参数，例如传感器像素尺寸或照明光波长。此外，还可以对图像进行区域选择，并定义细胞排列模式。根据这些数据对样本进行计数，并将标记后的图像显示给用户。我们刚刚向您展示了如何利用Lucas的高通量平台对细胞进行成像和表征。在执行此操作时，需要牢记的是，所演示的实验可广泛应用于多种细胞和微粒。它还能够对异质溶液进行超宽视野和高通量的细胞表征。以上就是全部内容。感谢观看，祝您的实验顺利成功。

lensless-on-chip-imaging-cells-provides-new-tool-for-high-throughput

Research

科研

JoVE Journal

Biology

生物学

无透镜片上的细胞成像提供了一种高通量细胞生物学和医疗诊断的新工具

展示了一种无透镜片上荧光显微成像平台，可利用基于压缩采样的解码算法，对例如&gt;0.6–8...

芯片上的无透镜荧光显微镜技术

无透镜光学断层成像是一个三维显微技术，在x、y和z方向上的空间分辨率分别达到&lt;1 μm × &lt;1 μm × &lt;3 μm，成像体积可达15–100...

无透镜片上断层显微技术结合多角度照明与像素超分辨率

我们回顾了近期在手机上利用紧凑且低成本的光流控附件集成荧光显微镜与成像流式细胞术工具的研究成果。这些基于手机的微分析装置可能适用于细胞计数分析，例如执行多种细胞计数任务，或在资源有限的环境中对水样等样品进行高通量筛选。...

基于手机的宽场荧光显微镜与荧光成像流式细胞术

本文介绍了一种用于单细胞分析的微流控芯片。该芯片可通过荧光检测或免疫检测方法，对细胞内蛋白质、酶、辅因子和第二信使进行定量分析。...

一种用于单细胞多功能化学分析的微流控芯片

无透镜视频显微技术使我们能够直接在培养箱内监测细胞培养物。本文介绍了获取和分析长达2.7天的培养HeLa细胞数据的完整方案，最终获得包含2.2×106次单个细胞形态测量结果和10584条细胞周期轨迹的数据集。...

无透镜视频显微技术用于贴壁细胞培养的动态定量分析

基于芯片的超分辨率光学显微镜是一种荧光显微镜的新方法，在成本效益和通量方面具有优势。本文展示了用于全内反射荧光（TIRF）显微镜和基于定位的超分辨率显微镜的芯片制备与成像方案。...

基于光子芯片的高通量全内反射荧光与直接随机光学重建显微技术

我们介绍一种用于复杂生命机制高通量研究的微流控系统，该系统包含1500个培养单元、一组增强型蠕动泵以及一个现场混合模块。该微流控芯片可实现对体内高度复杂且动态变化的微环境条件进行分析。...

利用高通量微流控装置产生动态环境条件

本文介绍了一种在纳米流体装置上对单个细胞进行监测以研究急性事件及有效的HIV-1感染的实验方案。成像数据可明确病毒与宿主受体之间的相互作用以及信号通路的动力学变化。这是首个用于高通量、纵向单细胞培养与成像的纳米流体技术方法，可用于研究信号动力学和分子相互作用。...

基于多参数光流控平台的单细胞钙离子内流与HIV-1感染表征

本实验方案描述了用于可视化晶状体外周结构的新型整体成像技术，并提供了图像定量分析的方法。这些方案可用于相关研究，以更深入地理解晶状体微尺度结构与其发育及功能之间的关系。...

整体成像技术用于可视化及量化外周晶状体结构、细胞形态与排列组织

本方案描述了使用三维激光打印技术制备可植入式集成成像窗口的方法。该窗口由与微支架耦合的微透镜系统组成。该方法采用生物相容性光刻胶SZ2080，通过双光子聚合（2PP）技术进行连续加工，优化了不同组件之间的制造效率与对准精度。...

用于先进成像的微结构成像窗中可植入光学器件的微加工 体内 成像

本方案描述了一种基于无透镜阴影成像技术的无标记方法，用于快速进行自然杀伤（NK）细胞数量和活性的单细胞分析。该方法通过计算机分析单个NK细胞的衍射图样，量化其形态学变化。...

可用于野外的无透镜成像平台用于自然杀伤细胞活化的快速无标记分析

了解Lucas无透镜片上成像技术用于高通量细胞生物学和医疗诊断。该平台无需传统物镜，通过阴影成像实现超宽视场细胞监测，适用于资源匮乏环境。

无透镜片上细胞成像技术为高通量细胞生物学与医学诊断提供了新工具

探索更多视频