Die Zellmorphologie entwickelt sich zu einem Schlüsselindikator für die molekularen Mechanismen. Es bietet nicht nur eine visuelle Darstellung der Zellstruktur, sondern auch wertvolle Einblicke in die zugrundeliegenden Prozesse und Funktionen einzelner Zellen1. Die Analyse der Form, Größe und Aktivität von Immunzellen auf Einzelzellebene liefert entscheidende Einblicke in ihr Verhalten, ihre Heterogenität und ihre Rolle bei Gesundheit und Krankheit 2,3,4,5,6.
Zu diesen entscheidenden Zellen gehören die natürlichen Killerzellen (NK-Zellen), die ein zentraler Bestandteil des angeborenen Immunsystems sind 7,8. Sie eliminieren virusinfizierte und krebsartige Zellen und regulieren die adaptive Immunantwort durch Zytokinfreisetzung 9,10,11. Krebs, Virusinfektionen und Immundefekte reduzieren häufig die Anzahl der NK-Zellen und beeinträchtigen deren Funktionen 12,13,14. Daher dient die Aktivierung der NK-Zellen als wichtiger Biomarker und gibt Aufschluss über die allgemeine Gesundheit des Immunsystems. Folglich ist eine schnelle Einzelzellbestimmung der NK-Zellaktivierung für die Prognose, Diagnose, Krankheitsüberwachung und Patientenstratifizierung unerlässlich 15,16,17,18.
Derzeit wird die Aktivität der NK-Zellen anhand ihrer zytotoxischen Kapazität (Fähigkeit, Zielzellen abzutöten) und der Zytokinproduktion bewertet 19,20,21,22. Konventionelle Verfahren zur Messung der zellvermittelten Zytotoxizität23, wie z. B. Chrom-51 (51Cr)-Freisetzungsassays24,25, durchflusszytometrische Assays26,27 und enzymgebundene Immunsorbent-Assays (ELISA) zur Quantifizierung von Interferon-gamma (IFN-γ), das von NK-Zellen nach Stimulation sezerniertwird 28,29,30 haben mehrere Einschränkungen. Dazu gehören die mangelnde Standardisierung, langwierige Protokolle (z. B. ELISA-Inkubation über Nacht), die Abhängigkeit von der Zellmarkierung und hohe Gerätekosten 31,32,33. Diese Herausforderungen unterstreichen den Bedarf an innovativen Methoden, die schnelle Ergebnisse, Kosteneffizienz, markierungsfreie Analysen und einen hohen Durchsatz bieten. Darüber hinaus bietet die Bewertung der NK-Zellaktivierung auf Einzelzellebene detaillierte Einblicke in die Heterogenität der Population und die individuellen zellulären Reaktionen auf Stimulation.
Unter den aufkommenden Technologien, die darauf abzielen, diese Einschränkungen zu überwinden, ist die linsenfreie Schattenbildtechnologie (LSIT) eine besonders effektive Lösung 34,35,36. LSIT, eine vereinfachte digitale Inline-Holographie (DIH), ermöglicht eine schnelle, markierungsfreie Hochdurchsatzanalyse der NK-Zellaktivierung mit einer Einzelzellauflösung 37,38,39. Das DIH erfasst Interferenzmuster zwischen gestreutem Laserlicht und einem kollinearen Referenzstrahl auf einem digitalen Sensor, um dreidimensionale (3D) Informationen über mikroskopische Objekte zu rekonstruieren40,41. Das LSIT vereinfacht diesen Ansatz, indem es einen teilweise kohärenten LED-, Micropinhole- und CMOS-Sensor verwendet, um die Beugungsmuster (d. h. Schattenbilder) der Zellen 42,43,44,45 zu erfassen. Die Begründung für diese Technik basiert auf der Beobachtung, dass die Aktivierung von Immunzellen häufig morphologische Veränderungen verursacht, einschließlich Variationen in der Zellgröße, -form, der zytoplasmatischen Granularität und der Kernstruktur 46,47,48,49,50. Das LSIT reagiert sehr empfindlich auf diese Veränderungen, die sich direkt auf die Beugungsmusterauswirken 51,52,53.
Aufbauend auf der Empfindlichkeit von LSIT gegenüber diesen morphologischen Veränderungen und ihren Auswirkungen auf die Beugungsmuster stellt dieses Protokoll ein neuartiges Verfahren zur schnellen und genauen Quantifizierung der NK-Zellzahl und der funktionellen Aktivität auf Einzelzellebene unter Verwendung der Cellytics NK-Plattform dar, die im Folgenden als LSIT-Plattform54 bezeichnet wird. Wie in Abbildung 1A dargestellt, integriert die LSIT-Plattform die Probenverarbeitung, -aktivierung und -schattenbildgebung in einen kompakten Mehrkanal-Workflow. NK-Zellen wurden aus Vollblut isoliert, mit einem speziell formulierten Aktivierungsstimulator-Cocktail (ASC) stimuliert und auf einen speziellen Assay-Chip geladen. ASC induziert morphologische Veränderungen in NK-Zellen innerhalb von 1 h nach der Exposition, wie z. B. eine erhöhte Zellgröße und interne Komplexität, die mit der LSIT-Plattform präzise nachgewiesen werden können55,56.
Die LSIT-Plattform verwendet eine LED-Lichtquelle und einen CMOS-Sensor, um die DIH-Muster (Schatten) einzelner Zellen zu erfassen (Abbildung 1B). Ein spezieller Algorithmus analysiert dann diese Schattenmuster und extrahiert wichtige Parameter, wie z. B. die Peak-to-Peak-Distanz (PPD), die mit der Zellgröße korreliert, und die Standardabweichung der Breite des sekundären Maximums (WSM-SD), die mit der Komplexität und Unregelmäßigkeit des Zytoplasmas korreliert (Abbildung 1C,D). Durch den Vergleich der Werte vor und nach der Stimulation berechnet die Plattform zusammengesetzte Indizes: den kombinierten Schattenparameter (CSP = PPD × WSM-SD) und den angeborenen Immunitätsindex (I³), die die prozentuale Veränderung des CSP nach der Aktivierung widerspiegeln. Der Grund für die Einführung von CSP ist, dass die Immunaktivierung sowohl eine Zellvergrößerung als auch eine erhöhte zytoplasmatische Komplexität mit sich bringt. Wenn Sie sich nur auf eines der beiden Kriterien verlassen, kann dies zu einer grenzwertigen Aktivierung führen oder durch Rauschen wie Schmutz oder unregelmäßige Beleuchtung beeinträchtigt werden. Der CSP verbessert die Klassifizierung, indem er konsistente Verschiebungen in beiden Metriken erfordert. Diese Indizes klassifizieren die Aktivierungszustände verschiedener Zellpopulationen ohne Fluoreszenzmarkierung oder aufwendige Probenverarbeitung.
Dieses Protokoll ist besonders nützlich für Forscher und Kliniker, die eine schnelle, quantitative und markierungsfreie Methode zur Überwachung aktivierungsinduzierter morphologischer Veränderungen in Immunzellen benötigen. Es eignet sich für die immunologische Grundlagenforschung, das präklinische Wirkstoffscreening und die Bewertung von Immuntherapien und kann als diagnostisches oder prognostisches Instrument in klinischen Umgebungen eingesetzt werden, in denen eine schnelle Beurteilung des Immunstatus unerlässlich ist. Diese Methode erfordert isolierte Zellpopulationen, Zugang zur LSIT-Plattform und einen spezifischen NK-Zellaktivierungscocktail.