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

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。