目前，大部分的細胞檢測方法采用的仍然是傳統(tǒng)的終點法——僅僅給出最終結(jié)果，而且往往需要標記細胞和破壞細胞。這種方法無法得到細胞在生長時的真正狀態(tài)，也無法對細胞的生長過程做出動態(tài)的監(jiān)測和分析。美國Essen公司開發(fā)了第二代長時間實時動態(tài)活細胞成像分析儀——IncuCyte Zoom，用一種非侵入式的方法，記錄細胞的實時生長狀態(tài)。這種成像方法，被稱為“實時細胞內(nèi)涵成像”（Live Content Imaging），擴充了用戶記錄和理解細胞生長、細胞行為和細胞形態(tài)的途徑。
IncuCyte Zoom是一套用于非傷害的、長時間實時動態(tài)的活細胞成像分析平臺。IncuCyte分為信號采集機和控制機兩部分，信號采集機可放置于培養(yǎng)箱中，中間放置多種規(guī)格尺寸的板、皿、瓶及載玻片，在其下方有顯微照相設備，通過顯微拍照，對培養(yǎng)細胞進行連續(xù)的監(jiān)測，并通過聯(lián)網(wǎng)的電腦進行遠程控制、數(shù)據(jù)讀取與分析。系統(tǒng)可自動收集每個時間點的相差圖像和紅/綠熒光圖像。用戶除了可以得到各種格式的圖像或動態(tài)錄像外，還可以得到由系統(tǒng)軟件自動依據(jù)飽和度和計數(shù)分析生成的基于圖像應用的圖表，以顯示細胞的變化及趨勢。
IncuCyte的優(yōu)勢：1）培養(yǎng)的細胞用高清晰度相差顯微鏡或熒光顯微鏡直接監(jiān)測，為非破壞性的監(jiān)測，細胞不用染色便可以觀察監(jiān)測，影像效果好；2）監(jiān)測過程中細胞無需離開培養(yǎng)箱，不用擔心培養(yǎng)條件的改變對細胞的影響；3）真正的長時間的動態(tài)活細胞成像，可達數(shù)天或數(shù)月，高清晰度相差成像能消除微孔板的彎液面缺陷（meniscus artifacts），且沒有傳統(tǒng)顯微系統(tǒng)的光暈問題，可以在384微孔板內(nèi)監(jiān)測細胞形態(tài)；4）圖像處理軟件自動依據(jù)飽和度和計數(shù)分析，量化細胞增殖；5）自動輸出細胞生長曲線和細胞生長錄像；6）實時監(jiān)控，可改變傳統(tǒng)的“終點法”實驗方法，數(shù)據(jù)豐富，更準確、更靈活；7）高通量，可同時監(jiān)測6塊標準規(guī)格的細胞培養(yǎng)板/皿/瓶/載玻片，包括96-孔微孔板和384-孔微孔板，細胞在384-孔微孔板內(nèi)實驗，可以減少寶貴的藥品消耗；8）支持超過200種的標準培養(yǎng)容器，無需特殊的培養(yǎng)容器，節(jié)約后期實驗成本；9）可遠程監(jiān)控，進行數(shù)據(jù)讀取和分析，無需反復出入細胞房，避免了潛在的污染隱患及人工出入觀測之麻煩。
圖１：培養(yǎng)箱中的IncuCyte Zoom
與第一代成像儀IncuCyte FLR相比，IncuCyte Zoom是全新設計的，增加了很多關(guān)鍵的性能，包括支持多通道熒光成像，支持多物鏡選擇，增加了形態(tài)處理的能力和達到更高的速度。新增的特性有：1）IncuCyte Zoom可支持高清晰度（HD）相差、黃綠熒光和紅色熒光自動成像功能，圖像處理軟件支持對三通道成像的整合處理；2）用戶可在1分鐘之內(nèi)自行更換4×、10×和20×物鏡，而無須專業(yè)人員的幫助；3）因為擁有12個全核處理器和新的軟硬件，其成像速度達到了第一代FLR的兩倍；4）采用了新的相機設計，使其更適合長時間觀察；5）設計了新的數(shù)據(jù)庫，使用戶能更方便的查找和檢索實驗數(shù)據(jù)；6）增加了數(shù)據(jù)的存儲量，配備了9TB的存儲空間，并支持外部數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)；7）提高了空氣流速，改善了散熱性能，增加了掃描時間；8）增加了系統(tǒng)監(jiān)控，整合了濕度傳感器、加速計來監(jiān)測不可接受的震動、風扇速度和內(nèi)部溫度；9）用戶可用位于控制機前部的LCD控制面板方便地檢測和運行基礎狀態(tài)檢查和操作。
圖２：IncuCyte內(nèi)部結(jié)構(gòu)，支持超過200種標準培養(yǎng)容器，可同時觀察多達6塊培養(yǎng)容器
圖３：IncuCyte記錄的細胞的相差圖像和增殖曲線
圖３是IncuCyte記錄的細胞增殖的相差圖像和增殖曲線。左側(cè)圖像是在同一視野內(nèi)間隔12小時拍攝的CHO細胞的相差圖像，圖像可以24小時連續(xù)生成，而無需將細胞移出培養(yǎng)箱。右側(cè)的增殖曲線是依據(jù)間隔3小時的圖像生成的，由軟件自動將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成定量的飽和度vs.時間的數(shù)據(jù)，生成動態(tài)的增殖曲線。最后圖像會被導出成單獨的JPEG文件或視頻。
IncuCyte軟件功能：用戶可以在任何一臺聯(lián)網(wǎng)的計算機上操控儀器，而無需反復拿進拿出標本及出入細胞房，這使IncuCyte成為了一個“虛擬的培養(yǎng)箱”。IncuCyte最好的特點之一就是直覺式的軟件界面設計。用戶可以在軟件的操作界面上定義耗材的類型、拍攝的時間、位置及視野個數(shù)。支持在長時間拍攝過程中插入其他拍攝任務繼續(xù)進行拍攝，以充分利用儀器。IncuCyte可以自動對焦，自動進行圖像收集。對得到的圖像也可以進行亮度、尺寸、對比度的顯示控制。用戶可以自定義樣本信息，進行分組分析，并可以電子化標記器皿，設定關(guān)鍵詞，必要時可用設定的關(guān)鍵詞搜索數(shù)據(jù)庫，方便查詢過去任何時間得到的圖像和數(shù)據(jù)。用戶還可以直接從軟件中抓取圖像、圖表、曲線至Word、Excel、Powerpoint和Email中。生成的所有數(shù)據(jù)均可存檔，并且數(shù)據(jù)和圖表可以打包封存，便于用戶帶回家分析。IncuCyte Zoom的新特性包括多熒光圖像處理模塊和新的相差成像處理模塊。Zoom還設計了新的數(shù)據(jù)庫，使用戶能更容易查找和檢索實驗數(shù)據(jù)。
圖４：軟件操作界面
IncuCyte的應用：
（一） 監(jiān)測細胞增殖（Proliferation）
可監(jiān)測細胞的飽和度，或用熒光標定細胞核，計算細胞核的個數(shù)。
關(guān)鍵特性：1）IncuCyte Zoom結(jié)合NucLight Red和NucLight Green試劑，直接監(jiān)測細胞增殖；2）在4×、10×或20×物鏡條件下對細胞核進行實時計數(shù)；3）每個時間點可提供576個（96孔板）和2304個（384孔板）孔的數(shù)據(jù)；4）自動進行圖像獲取和處理；5）可計算基于細胞核計數(shù)的倍增時間，而無須lift細胞；6）可得到生長因子對原生細胞（primary cells）和長生細胞（immortalized cells）增殖的影響；7）細胞不離開培養(yǎng)箱，所有數(shù)據(jù)均有圖像和影片驗證。
圖5：轉(zhuǎn)染NucLight Red lentivirus試劑的HT-1080細胞用不同濃度的放線菌酮（Cycloheximide，CHX）處理，在4×條件下用Zoom每3小時拍攝一次。雖然沒有觀察到細胞形態(tài)的變化，但觀察到基于濃度的細胞增殖的抑制。曲線下面積（AUC）值被用于計算化合物的IC50值。倍增時間通過計算指數(shù)生長公式得到。下方的圖像為48hr時的熒光圖像。
圖6：HUVEC細胞用NucLight Red lentivirus試劑轉(zhuǎn)染，血清饑餓2hr后用含1%FBS和不同濃度bFGF的基礎培養(yǎng)基培養(yǎng)（左圖），或bFGF保持在10ng/ml，而Suramin的濃度不斷增大（右圖）。用Zoom每3hr拍攝一次，左圖用4×物鏡拍攝，而右圖用10×物鏡拍攝。整個實驗進程中都進行了細胞核計數(shù)，并通過計算曲線下面積（AUC）獲得EC50和IC50值。
（二）細胞質(zhì)控（Cell Culture QC）/細胞培養(yǎng)優(yōu)化（Cell Culture Optimization）
監(jiān)測細胞形態(tài)上的變化，對細胞培養(yǎng)進行質(zhì)控，如進行自動化的細胞培養(yǎng)，用175T培養(yǎng)瓶，培養(yǎng)出大量且高質(zhì)量的細胞，可做進一步細胞分析實驗的細胞來源。監(jiān)測生長曲線與培養(yǎng)基的血清濃度的變化，尋找最適合的培養(yǎng)基的血清濃度。監(jiān)測生長曲線與培養(yǎng)基的配方的變化，尋找最適合的培養(yǎng)基配方。
關(guān)鍵特性：1）對高清晰相差成像進行用戶定義的相分割；2）可收集到4×、10×或20×的圖像；3）非標記的相分割指標利用細胞飽和度跟蹤細胞隨時間的生長狀況；4）能夠檢測促血管生成（pro-angiogenic）和抗血管生成（anti-angiogenic）的反應；5）可對克隆進行計數(shù)和大小觀察；6）可通過對培養(yǎng)瓶不同部位的成像，優(yōu)化細胞的分布；7）可對圖像和數(shù)據(jù)進行存檔，以便在未來對生長特性進行回顧確認；8）根據(jù)細胞飽和度，優(yōu)化原生細胞和長生細胞的生長條件；9）可決定最佳接種密度；10）可分析微孔板布局，促進移液技術(shù)。
圖7：HUVEC細胞培養(yǎng)在包含生長因子和不同濃度胎牛血清（FBS）的培養(yǎng)基中，HUVEC的最佳FBS濃度是＞2.5%。
圖8：對不同接種密度的HT-1080細胞每3小時拍攝一次，一共拍攝3天，得到實時動態(tài)的飽和度vs.時間的圖像。
（三） 監(jiān)測細胞毒性（Cytotoxicity）
細胞毒性發(fā)生時，細胞膜會破裂，這時使用非滲透的染料YOYO-1就可以將發(fā)生細胞毒性的細胞染色，然后用IncuCyte進行觀察。
關(guān)鍵特性：1）運用NucLight試劑，并結(jié)合細胞非滲透性DNA染料；2）可區(qū)別細胞毒性（Cytotoxic）和細胞抑制（Cytostatic）；3）可從雙色分析儀中輸出數(shù)據(jù)，計算EC50和IC50；4）可通過獲取4×、10×或20×的高清晰度相差圖像，跟蹤細胞形態(tài)，確認細胞是否死亡；5）可保存和重新使用過程定義，為未來的實驗分析YOYO-1和NucLight-Red數(shù)據(jù)。
圖9： HT-1080細胞用NucLight-Red標記，并在YOYO-1存在的條件下用喜樹堿（Camptothecin）處理。高清晰度相差圖像和熒光圖像用于確認細胞是否死亡。
圖10：用基礎分析儀（Basic Analyzer）計算紅色細胞核的個數(shù)和YOYO-1標記的細胞隨時間的變化。數(shù)據(jù)輸出后，曲線下面積（AUC）被用來計算喜樹堿（Camptothecin）對HT-1080細胞作用的IC50值和EC50值。
圖11：喜樹堿（Camptothecin）（上圖）和Cycloheximide（放線菌酮）（下圖）引起的HT-1080細胞的毒性（Cytotoxic Effects）和抑制作用（Cytotostatic Effects）。左圖表示用YOYO-1動態(tài)顯示的細胞的死亡，右圖表示用NucLight Red顯示的細胞的增殖。
（四） 監(jiān)測細胞凋亡（Apoptosis）
CellPlayer細胞凋亡試劑盒中的凋亡試劑是DNA染料和Caspase3/7酶的底物的連接物。如果細胞發(fā)生Caspase3/7途徑的凋亡，當將此試劑加入培養(yǎng)基時，細胞膜上的活化的Caspase 3/7酶就會降解此連接物，使原來不發(fā)光的染料從連接物中脫離下來，與細胞的DNA雙鏈結(jié)合，從而發(fā)出黃綠熒光，被IncuCyte檢測到。這樣就可以用IncuCyte觀察細胞的凋亡全過程。
關(guān)鍵特性：1）用NucLight試劑標記細胞來檢測細胞的增殖，并動態(tài)監(jiān)控化合物的細胞抑制（抗增殖）作用；2）直接向細胞中加入Caspase 3/7試劑，而無需額外的洗滌步驟，可檢測由內(nèi)在或外在途徑引起的細胞凋亡；3）可從雙色分析儀中輸出數(shù)據(jù)，計算IC50和EC50。4）用4×、10×或20×物鏡觀察高清晰度相差圖像，以確定細胞的死亡；5）定量的可重復性：可保存并重新使用過程定義，方便未來實驗時分析Caspase 3/7和NucLight Red數(shù)據(jù)；可進行96孔和384孔形式的實驗；每次可觀察6塊微孔板。
內(nèi)在通路（Intrinsic Pathway）引起的細胞凋亡：
圖12：表現(xiàn)為紅色細胞核的宮頸腺癌細胞在有Caspase 3/7試劑的條件下用不同濃度的十字孢堿（Staurosporine，SSP）處理。過程定義可以準確計量紅色細胞核對象個數(shù)和綠色Caspase 3/7對象個數(shù)。
圖13：通過基礎分析儀輸出Caspase對象個數(shù)/mm2和細胞核對象個數(shù)/mm2，并利用曲線下面積（AUC）計算出EC50和IC50。
圖14：用基礎分析儀，可檢測隨時間改變的Caspase 3/7活性（左圖）和細胞核個數(shù)（右圖）。
圖15：外在通路引起的細胞凋亡。在5μg/ml放線菌酮（Cycloheximide）存在的條件下用不同濃度的腫瘤壞死因子α（TNF-α）處理A549肺上皮細胞（Lung Epithelial Cells），用基礎分析儀定量計算Caspase 3/7的活性。
（五） 監(jiān)測細胞遷移（Cell Migration）/監(jiān)測細胞侵襲（Cell Invasion）
IncuCyte的Migration模組中有96孔的傷口劃痕器（Wound Maker），可以在96孔微孔板上生成96個均勻一致的傷口，然后用IncuCyte記錄傷口愈合（Wound Healing）的實時動態(tài)全過程。
IncuCyte可以從預設的時間點來獲得圖像并轉(zhuǎn)換成影片。系統(tǒng)記錄了初始的Wound Mask，然后隨著Revised Wound Mask的生成，系統(tǒng)持續(xù)記錄圖像來跟蹤傷口的愈合。IncuCyte還可用于其它細胞運動如“遷移”和“侵襲”的監(jiān)測。用戶可以很直觀地通過2D的遷移和3D的侵襲圖像來觀察細胞形態(tài)的變化，并對兩種細胞運動方式進行對比。在我們的高清成像基礎上，細胞無需標記就可以進行觀察。使用專利的算法，可以得到綜合的基于時間推移的持續(xù)性圖像采集指標，包括：相對傷口密度（專利）、傷口飽和度、傷口寬度，使實驗結(jié)果的定量性和重復性更好。所有時間點的指標都可以通過細胞圖像和影片進行驗證。
細胞遷移/細胞侵襲的關(guān)鍵特征：1）可在同一塊96孔微孔板中通過4×、10×或20×的物鏡測量2D的細胞遷移和3D的細胞侵襲；2）在每個時間點可生成576個孔的數(shù)據(jù)（6×96）；3）可對原生細胞系和長生細胞系進行非標記的細胞遷移/細胞侵襲定量測定；4）可自動分析測量相對傷口密度、傷口飽和度和傷口寬度；5）可用圖像和時序錄像驗證藥理學作用；6）可用Zoom的雙色熒光系統(tǒng)拍攝和研究細胞遷移和細胞侵襲中的熒光細胞。
圖16：左圖是HT-1080細胞在8mg/ml Matrigel中的細胞侵襲圖像；右圖是MDA-MB-231細胞在6mg/ml Matrigel中的細胞侵襲圖像。
圖17：左圖是三種細胞系，HT-1080、MDA-MB-231和MCF-7的細胞遷移曲線；左圖是兩種細胞系，HT-1080和MDA-MB-231的細胞侵襲曲線，MCF-7細胞不發(fā)生細胞侵襲。
圖18：藥理學研究：顯示肌球蛋白抑制劑（blebbistatin）對HT-1080細胞在8mg/ml Matrigel中的細胞侵襲的濃度響應。
（六）監(jiān)測血管新生（Angiogenesis）
血管新生是一種復雜、多步的過程，包括內(nèi)皮細胞增殖、內(nèi)皮細胞遷移和血管形成。IncuCyte的CellPlayer Angiogenesis PrimeKit將GFP標記的人臍帶血管內(nèi)皮細胞（human vascular endothelial cells，HUVECs）和正常的人真皮成纖維細胞（normal human dermal fibroblast，NHDFs）共培養(yǎng)，共培養(yǎng)物就會有新生血管生成，然后用IncuCyte進行觀察。IncuCyte Zoom和CellPlayer Angiogenesis PrimeKit合用，能監(jiān)測血管生成的全過程，同時測定藥物對血管生成的作用。
關(guān)鍵特性包括：1）使用人類的原生細胞和共培養(yǎng)體系顯示血管新生過程中的所有階段的變化；2）有活細胞和冷凍細胞試劑盒兩種選擇；3）Zoom和血管新生軟件相結(jié)合可自動獲取時序性圖像，提供血管長度、血管面積和分支節(jié)點個數(shù)等動態(tài)指標；4）動態(tài)讀數(shù)可研究復雜的通路，包括VEGF（血管內(nèi)皮生長因子）和non-VEGF（非血管內(nèi)皮生長因子）信號介導的血管新生和血管分解；5）能測量促血管生成（pro-angiogenic）和抗血管生成（anti-angiogenic）的作用；6）所有數(shù)據(jù)均有圖像和影片進行驗證；7）可在96孔微孔板中反應，數(shù)據(jù)定量并可重復。
Essen可提供CellPlayer血管新生原生冷凍試劑盒（CellPlayer Angiogenesis PrimeKit -Cryo）、CellPlayer血管新生原生新鮮試劑盒（CellPlayer Angiogenesis PrimeKit-Live），和血管新生實驗外包服務。具體試劑盒規(guī)格和實驗外包服務可參考Essen網(wǎng)站。
圖19：血管新生，第1天和第14天對比，血管長度從0.6mm/mm2增長到11.6mm/mm2
圖20：不同濃度的血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）對血管新生的動態(tài)作用。
另一種試劑盒是CellPlayer Angiogenesis StemKit，它將用GFP標記的內(nèi)皮克隆形成細胞（endothelial colony-forming cells，EDFC）和脂肪組織來源干細胞（adipose-derived stem cells，ADSC）共培養(yǎng)，共培養(yǎng)物就會有新生血管生成，然后用IncuCyte進行觀察。IncuCyte Zoom和CellPlayer Angiogenesis StemKit合用，能監(jiān)測血管生成的全過程，同時測定藥物對血管生成的作用。
關(guān)鍵特性包括：1）是人類來源的共培養(yǎng)干細胞模型；2）以冷凍試劑盒形式提供；3）比PrimeKit試劑盒的血管生成速度更快；4）外皮細胞生物學（Pericyte biology）；5）可對血管形成和血管分解進行動態(tài)讀取；6）所有指標均有圖像和錄像進行驗證；7）可在96孔微孔板上進行實驗，重復性好（Z’＞0.8）。
Essen可提供冷凍形式的CellPlayer血管新生干細胞試劑盒（CellPlayer Angiogenesis StemKit）和血管新生實驗外包服務。具體試劑盒規(guī)格和實驗外包服務可參考Essen網(wǎng)站。
圖21：將促血管新生蛋白因子（angiopoietin 2，Ang-2）加入已形成的血管網(wǎng)絡中，動態(tài)數(shù)據(jù)顯示血管發(fā)生分解。
（七） 監(jiān)測報告基因（Reporter Gene）
細胞用含GFP的載體轉(zhuǎn)染，GFP的上游插入需要研究的啟動子。這樣就可以通過IncuCyte觀察GFP的熒光強度和發(fā)出熒光的細胞數(shù)目，從而監(jiān)測啟動子的活性或報告基因的表達活性。
與傳統(tǒng)的終點熒光素酶方法對比，IncuCyte的關(guān)鍵特征在于：1）數(shù)據(jù)豐富：96孔的實時動態(tài)數(shù)據(jù)可獲得終點法無法獲得的洞察能力；2）節(jié)約成本：無需裂解，無需熒光素酶法需要的終端反應底物，節(jié)省時間和花費；3）方便：實時動態(tài)讀數(shù)使用戶能在單個的實驗中優(yōu)化信號窗，無需事先決定何時終止實驗；4）敏感：可得到每個條件下的多個時間點數(shù)據(jù)，增加了實驗的定量性和穩(wěn)定性（quantitative robustness）；5）可定制：用戶可根據(jù)需要定制啟動子，修改反應體系，監(jiān)測藥物對報告基因的作用。
Essen可按照客戶需要提供此實驗的外包服務，具體外包服務內(nèi)容請參考Essen網(wǎng)站。
圖22：rhTNF-α刺激誘導的HEK293細胞中，rhGFP報告基因表達的NF-κB的活性。在用pNF-κB-rhGFP報告基因轉(zhuǎn)染的HEK293細胞中，用3倍稀釋的rhTNF-α處理。圖像以15min為間隔獲得。對象飽和度（Object Confluence）表示報告基因的表達和/或啟動子的活性。
（八）細胞分化研究（Cell Differentiation）：可在培養(yǎng)箱中對細胞進行長時間動態(tài)分析。
IncuCyte Zoom的應用總結(jié)：
1）監(jiān)測細胞增殖（Proliferation）：通過實時動態(tài)成像，對細胞增殖進行非侵入性的、定量的分析；
2）細胞培養(yǎng)質(zhì)控（Cell Culture QC）/細胞培養(yǎng)優(yōu)化（Cell Culture Optimization）：通過實時動態(tài)成像，可生成基于細胞飽和度的動態(tài)生長曲線；
3）監(jiān)測細胞毒性（Cytotoxicity）：將染料和細胞混合然后讀數(shù)，操作者可離開，是基于染料的實驗；
4）監(jiān)測細胞凋亡（Apoptosis）：將凋亡試劑和細胞混合然后讀數(shù)，操作者可離開，是基于染料的實驗；
5）監(jiān)測細胞遷移（Cell Migration）/細胞侵襲（Cell Invasion）：配套高度一致性的96孔傷口劃痕工具，實時動態(tài)監(jiān)測傷口的愈合過程，可得到細胞運動的定量指標；
6）監(jiān)測血管新生（Angiogenesis）：使用通過驗證的血管新生試劑盒，具有動態(tài)分析血管新生的定量指標；
7）監(jiān)測報告基因（Reporter Gene）：細胞無需裂解，可獲得實時動態(tài)數(shù)據(jù)；
8）細胞分化研究（Cell Differentiation）：在培養(yǎng)箱中對細胞進行長時間動態(tài)分析等。
總結(jié)：
以上一些關(guān)鍵的重要的應用介紹，展示了IncuCyte Zoom 系統(tǒng)在定量的、非入侵性的、實時細胞分析上的作用。非標記、非損傷性的成像技術(shù)以及數(shù)據(jù)分析可以讓用戶獲得高質(zhì)量的圖像、錄像和數(shù)據(jù)。與其他利用電子阻抗監(jiān)測細胞不同，IncuCyte可以記錄細胞形態(tài)，得到圖像和動態(tài)的錄像。另外，Essen還開發(fā)出更多的活細胞實時動態(tài)觀察試劑盒（live cell kinetic assays and reagents），與Zoom配套使用，進行實驗開發(fā)（assay development）、技術(shù)評估（technology assessment）、外包服務（fee-for-service outsourcing）和藥物開發(fā)合作（drug discovery partnerships）。
滬公網(wǎng)安備31011502016460號
