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细胞成像技术与方法(一)

细胞(cell)是生物体的形态结构和生命活动的基本单位,是独立生存的生命实体,是展现活的生命状态全部特点的最小单位,是组成(构成)所有生命物质的基本单元。细胞是生命的缩影,它不仅体现了生命的多样性和统一性,更体现了生命的复杂性。它是以膜为界的一个小室,充满着生物分子,其浓度和组成的变化都决定着细胞的生存、繁殖、损伤和死亡。细胞成像(图像)分析目前已采用有如:荧光显微镜、共聚焦荧光显微镜、多光子荧光显微镜、全内射荧光显微镜、荧光寿命图像显微镜、近场扫描光学显微镜、荧光相关光谱显微镜、生物发光及化学发光显微镜、激光热透显微镜、质谱(动态二级离子质谱、TOS-SIMSMALDI-MS)、电子显微镜(扫描电镜及透射电镜)、共聚焦拉曼显微镜、同步加速器X-射线显微镜、扫描电化学显微镜、原子力显微镜、扫描坠道显微镜、荧光探针及其细胞成像等多种技术方法,它们在生命科学研究中都具有举足轻重的地位。

在这一期,我们以 “细胞成像技术与方法”为题,专门收集了近两年来有关方面的科技文献与资料并汇集成汇编提供给大家,希望对“细胞成像技术与方法”方面有兴趣的朋友和有意愿开发此类技术的朋友起到借鉴与参考作用。由于文献资料较多,我们将分三部分提供给大家。这是第一部分。

 

细胞成像技术与方法(一)

 

1基于光学相干层析成像技术的肿瘤细胞侵袭成像

【作者】斯培剑  王玲  徐铭恩  

【机构】杭州电子科技大学自动化学院 浙江省医学信息与生物三维打印重点实验室 

【文献出处】中国激光 > 46卷 > 9期

【摘要】构建合适的肿瘤细胞侵袭模型、开发肿瘤细胞侵袭的定量监测方法一直是癌症研究的热点。构建了厚度超过1 mm的三维肿瘤体外侵袭模型,利用搭建的超宽带谱域光学相干层析成像系统,检测了细胞的迁移和侵袭动态,从细胞迁移距离变化和基质材料分解两方面来表征肿瘤细胞的体外侵袭过程;通过光学相干层析成像散射界面的峰值变化来定量检测肿瘤细胞的迁移距离,结合三维图像量化基质材料的表面曲度、厚度、整体体积变化来表征肿瘤细胞侵袭过程的基质材料分解与变形信息。结果表明:光学相干层析成像技术检测到的肿瘤细胞侵袭引起的细胞团簇位置变化、基质材料形态改变与苏木精-伊红染色切片、激光共聚焦结果相匹配,验证了光学相干层析成像技术检测肿瘤细胞侵袭的可行性;通过设计不同营养梯度、不同pH微环境下的三维肿瘤模型,利用搭建的光学相干层析成像系统,准确地量化了不同时间、不同体外微环境下肿瘤细胞的迁移距离、基质材料表面曲度、厚度和整体体积变化。与苏木精-伊红染色、激光共聚焦方法相比,所提方法可以连续监测肿瘤细胞的侵袭过程,更全面地反映肿瘤细胞迁移和侵袭的机理。

 

2荧光成像技术自动检测线索细胞的研究

【作者】张静  蒋莉  张丽芬  龙寿斌  张然蓉  蔡安季  

【机构】广东省深圳市南山区人民医院 

【文献出处】《广东医科大学学报》 2018年03

【摘要】目的探讨荧光成像技术自动检测细菌性阴道病样本中线索细胞的方法。方法采用双荧光染料对细菌性阴道病患者白带样本进行染色,获得样本中细胞荧光图像;利用分割法和数学形态学算法减少图像中噪音,计数线索细胞、正常上皮细胞和白细胞。比较自动计数与人工计数结果。结果 20组图像中线索细胞的自动计数结果与人工计数结果符合率为。结论 99.29%荧光成像技术自动检测线索细胞的方法比人工检测便捷、准确。

 

3DNA编码荧光实现细胞内RNA高通量成像

【作者】柯国梁 张晓兵 

【机构】 湖南大学化学化工学院、化学生物传感与计量学国家重点实验室、分子科学与生物医学实验室 

【文献出处】《科学通报》2018 第19

【摘要】单细胞RNA分析方法是单细胞生物学发展的基石.构建能够高通量获取细胞RNA表达水平、序列及空间分布等信息的单细胞RNA分析方法是目前单细胞分析领域面临的巨大挑战.近日,清华大学化学系李景虹课题组[1]Chem上发表了题为"DNA-Sequence-encoded rolling circle amplicon for single-cell RNA imaging"的研究论文,提出了一种基于核酸序列信息编码的原位扩增标记方法,实现了细胞内单分子、单碱基分辨及高通量的原位RNA成像,并利用该技术研究了乳腺癌发生相关基因的表达.

 

4荧光成像技术自动检测线索细胞的研究

【作者】张静  蒋莉  张丽芬  龙寿斌  张然蓉  蔡安季  

【机构】广东省深圳市南山区人民医院

【文献出处】《广东医科大学学报》 2018年03期 

【摘要】目的探讨荧光成像技术自动检测细菌性阴道病样本中线索细胞的方法。方法采用双荧光染料对细菌性阴道病患者白带样本进行染色,获得样本中细胞荧光图像;利用分割法和数学形态学算法减少图像中噪音,计数线索细胞、正常上皮细胞和白细胞。比较自动计数与人工计数结果。结果 20组图像中线索细胞的自动计数结果与人工计数结果符合率为。结论 99.29%荧光成像技术自动检测线索细胞的方法比人工检测便捷、准确。

 

5磁共振成像技术在肝细胞肝癌的研究进展

【作者】张宏霞  黎金葵 王梦书 王寅中  雷军强 

【机构】兰州大学第一临床医学院 兰州大学第一医院放射科

【文献出处】中华肝脏病杂志2019, 27(2)

【摘要】肝细胞肝癌(HCC)是肝脏最常见的恶性肿瘤。早期HCC合理治疗可明显提高患者的生存率。弥散加权成像,扩散峰度成像,体素内不相干运动,磁共振波谱成像,动态对比增强成像等功能成像通过多个参数对病变的早期检出,性质判断,恶性程度分级及对不同治疗方案疗效能够准确地评估。超快速并行采集技术(CAIPIRINHA)、水脂分离压脂技术(Dixon)及时间分辨交叉随机轨迹成像(TWIST3种技术的容积插入法屏气扫描检查(VIBE),即CDT-VIBE序列在短时间内可获得多组动脉期图像,发现其他检查无法发现的一过性强化小病灶,并显示病灶起始强化差异,对提示病灶血供特点有重要意义。此外,磁共振成像可预测HCC的微血管侵犯,即间接预测HCC术后或肝移植术后病变的复发率及总生存时间。

 

6基于虚拟细胞成像和深度学习的神经元分支点检测方法

【作者】官万先

【机构】浙江大学

【文献出处】《浙江大学》 2018年硕士论文

【摘要】本文主要研究解决神经元形态自动重建中分支点检测的问题。神经元形态自动重建是研究神经系统工作原理甚至探究大脑奥秘的重要手段。现有的一类最常用有效的重建算法,局部追踪算法,依赖于神经元图像分支点的检测,限制了算法的准确率和速度。本文基于虚拟细胞成像和深度学习技术,提出了一种检测神经元图像分支点的方法,有效解决了该问题。本文的主要工作是(1)设计并实现了神经元模型的生成与绘制算法。算法基于显微镜下细胞光学成像模型,引入点传播函数、噪声模型和降采样方法模拟神经元图像的光电效应和模数转换过程。实验表明算法的有效性。(2)设计了一种基于3D卷积神经网络的真实神经元分支点检测和定位算法。实验结果表明算法不仅可以准确地检测真实神经图像中分支点及其位置,而且当将其集成到现有神经元形态重建算法中,可以有效提升重建效率。(3)设计一种神经元形态优化对抗网络nsrGAN,可以在优化神经元图像的同时,最小化输入图像与输出图像的差距,从而确保优化后的图像标签不变。

 

7新型荧光探针设计及其在缺氧胁迫下硫烷硫的成像分析研究

【作者】高敏  陈令新  

【机构】中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室,中国科学院烟台海岸带研究所 中国科学院大学 

【文献出处】《第十次全国分析毒理学大会暨第六届分析毒理专业委员会会议论文集》2018年

【摘要】随着环境污染日益加重,缺氧是其所带来的环境效应之一。环境效应关系到人和生物的生存及发展,因此应该高度重视对其作用机理的研究。细胞是环境影响生物体后首先作用的基本单元。环境缺氧会导致细胞内各种生物活性分子的改变,进而影响生物体的健康。环境成像分析技术是集合环境因素与光学分析方法于一体的综合分析技术,即将光学成像方法用于解决环境领域问题。它是一种无损成像分析技术,可通过荧光成像分析,检测生物体内源性物种的分布,探究环境因素是如何作用于生物体,以揭示环境异常与机体健康的关系。荧光探针是环境成像分析技术的一种重要研究工具。硫烷硫作为维护细胞内氧化还原状态的重要活性硫物种,它的浓度会受氧化还原状态的影响。缺氧会导致细胞内氧化还原状态的不平衡,进而影响细胞内生物活性小分子浓度及分布。到目前为止,在缺氧条件下细胞及活体内硫烷硫的浓度和分布还未得到研究。因此,对环境缺氧胁迫下细胞内硫烷硫的检测有利于了解环境缺氧的作用机理。基于此,我们设计两种新型近红外荧光探针,首次用于检测缺氧胁迫下细胞及活体内硫烷硫的变化。硫烷硫互变成硫代亚砜形式可以产生具有亲电子性质的反应性硫原子,并能与亲核试剂反应。因此,硫烷硫中的硫原子可以转移到其它活性硫物质上形成过硫化物(R-S-SH)和多硫化物(-S-Sn-S-)。利用这种反应性质,苯硫酚基团中的巯基(-SH)已被证明是捕获硫烷硫的合适候选物~([1,2])。基于此,选取苯硫酚基团中的巯基(-SH)作为硫烷硫的响应基团,合成了探针Mito-SH(图1a)。探针Mito-SH通过成像氧糖剥夺下细胞以及急性缺血小鼠模型中硫烷硫的动态变化,揭示硫烷硫可通过直接消除活性氧的方式保护细胞免受氧化损伤~([3])(图1b,1d);由于苯硒醇(pKa 5.9)中的硒醇基团(-SeH)是比苯硫酚(pKa 6.5)中的巯基(-SH)更好的亲核基团。硒醇基团(-SeH)的强亲核性有利于硫烷硫探针的选择性,灵敏度和动力学。接下来,将硒醇基团(-SeH)引入到探针结构,设计了近红外荧光探针Mito-SeH。Mito-SeH成功应用于活细胞,三维多细胞球和肝肾结扎小鼠中的硫烷硫的近红外荧光成像,并阐明硫烷硫和缺氧之间的密切关系~([4])(图1c,1e,1f)。通过构建这些荧光探针,建立一系列操作简便、响应快速、选择性好和灵敏度高的分析方法,实现在细胞和活体两个层次上的对分析物的原位、实时、动态的可视化监测,阐明环境缺氧对机体的作用规律,揭示机体内典型活性分子的环境指示意义。其中对陆地上典型实验哺乳动物体内活性分子的成功检测为下一步海洋生物的研究提供科学依据和技术支撑。

 

8微弱拉曼光谱成像信息提取及SNR估计

【作者】陈金敏

【机构】 厦门大学航空航天学院

【文献出处】《数字技术与应用》2019 第4

【摘要】拉曼光谱成像技术是分析化学、细胞研究等领域的重要工具。利用拉曼光谱成像观测某些动态变化的反应过程时,拉曼光谱数据集的信噪比低和成像过程的数据处理速度慢是两个主要制约因素[1]。为了实现对快速过程的实时成像,需要对信噪比较低的拉曼成像数据进行信息提取,良好的微弱信息提取算法将有效提高拉曼成像的时间分辨率,并减弱噪声影响。本文通过对不同扫描时间下的三种药品和不同曝光时间的细胞的拉曼数据,利用MATLAB对其成像,并用不同方法对其信息提取,同时利用局部数据进行SNR估计。在拉曼图像的清晰度与SNR估计值之间建立一个联系,通过对局部数据的信噪比估计,判断图像清晰度,直接选取符合实验要求的扫描时间,进而达到快速成像和减噪的目的。

 

9EBV-LMP2重组腺病毒疫苗体外抗肿瘤免疫效果的活细胞成像研究

【作者】 葛玉洋 周志祥 滕智平 曾毅

【机构】 北京工业大学生命科学与生物工程学院  中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所传染病预防控制国家重点实验室 

【文献出处】《病毒学报》2019 第3

【摘要】鼻咽癌(Nasopharyngeal carcinoma,NPC)与EB病毒(Epstein-Barr virus,EBV)感染密切相关。鼻咽癌细胞中表达的EB病毒潜伏膜蛋白2(Latent membrane protein 2,LMP2)是免疫疗法的理想靶抗原。靶向EBV-LMP2疫苗已被证明是安全有效的,可在NPC患者体内增强特异性细胞毒性T淋巴细胞(Cytotoxic T lymphocyte,CTL)应答。目前面临的挑战是如何提高NPC患者的临床反应率,其关键在于阐明LMP2特异性CTL的细胞毒性。为研究rAd-LMP2疫苗诱导的LMP2A特异性CTL对肿瘤细胞的杀伤效果,本研究利用rMVA-LMP2-GFP感染P815细胞(H-2d)构建表达EBV-LMP2A和GFP蛋白的P815-LMP2-GFP靶细胞,用rAd-LMP2疫苗免疫BALB/c小鼠(H-2d)来诱生LMP2A特异性的CTL细胞作为效应细胞。然后,应用活细胞成像技术观察LMP2A特异性CTL对P815-LMP2-GFP靶细胞的杀伤过程。结果显示成功构建了P815-LMP2-GFP靶细胞和LMP2A特异性CTL效应细胞,并以成像的方式实时动态记录了LMP2A特异性CTL识别并杀死靶细胞的过程。P815-LMP2-GFP靶细胞可在2h内被LMP2A特异性CTL识别并杀伤。本研究建立了一种直接监测LMP2A特异性CTL识别并杀伤靶细胞过程的动态可视化方法。因此,本研究为肿瘤疫苗的体外抗肿瘤免疫效果的研究提供了新手段和新思路。

 

10神经元放电行为动态特征的光相位表征方法

【作者】 陈志亚 季颖 唐文波 张明明 徐媛媛 王亚伟 

【机构】江苏大学理学院  江苏大学机械工程学院 

【文献出处】《中国激光》2018 第6

【摘要】神经元是生物神经系统结构与功能的基本单位,它通过放电活动对信息进行编码、传递和整合,在生命活动中起到重要作用;基于神经元放电活动的动力学本质和相位成像技术,探讨对活细胞及其内部亚结构进行无损、免标记成像的方法,根据神经元模型的相位信息对其静态形态特征和放电行为的动态表征进行研究;运用光学成像仿真技术建立神经元相位模型并获得其相位分布信息,从相位函数的物理意义出发分析模型的亚结构特征;考虑放电活动中样品胞内离子浓度变化对其折射率及相位信息的动态影响,初步探讨用相位信息直观表征该动态过程的方法;对于该较复杂的非均质相位体模型,引入异质对比补偿思想,免相位解耦地获得样品亚结构局部的静态形态信息及其动态放电活动的相位表征结果,并通过仿真分析验证该方法的有效性。结果表明,神经元放电特征及其形态的光相位表征方法具有无损、免标记、可定量的优势。

 

11葡萄糖酸锌碳点在细胞成像和体外促进成骨分化中的作用

【作者】孟阳 杨明锡 王柳然 刘东宁 于维先 王闻天 武洲 

【机构】吉林大学口腔医院牙周科  吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室  吉林省牙发育及颌骨重塑与再生重点实验室  航天中心医院口腔科  日本九州大学大学院齿学研究院 

【文献出处】《吉林大学学报:医学版》2019 第3

【摘要】目的:通过一步水热法合成葡萄糖酸锌碳点(Zn-CDs),探讨Zn-CDs的细胞成像及其对小鼠前成骨细胞向成骨方向分化的促进作用。方法:一步水热法合成Zn-CDs,采用透射电子显微镜(TEM)、荧光光谱仪和傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)观察检测Zn-CDs的表征。将不同浓度(0.01、0.10、1.00、10.00、100.00和1 000.00mg·L^-1)Zn-CDs浸提液与小鼠前成骨细胞系MC3T3-E1共培养作为实验组,空白对照组仅加入细胞培养液。采用MTT法检测各组MC3T-E1细胞相对增殖率(RGR);采用激光共聚焦成像观察MC3T3-E1细胞的成像特点;采用qRT-PCR法检测各组MC3T3-E1细胞中Runt相关转录因子2基因(Runx2)、碱性磷酸酶基因(ALP)和骨钙素(OC)mRNA相对表达水平;茜素红染色检测各组细胞中钙化结节数。结果:TEM检测,成功合成粒径为5.25nm的Zn-CDs。荧光光谱,Zn-CDs具有360nm紫外光激发和450nm蓝光发射的荧光性质,并表现激发波长依赖特性。FT-IR检测,Zn-CDs表面主要由羧基和羟基基团构成。与空白对照组比较,共培养24h时1 000.00mg·L^-1Zn-CDs组MC3T3-E1细胞的RGR明显降低(P<0.01)。荧光成像,Zn-CDs与MC3T3-E1细胞共培养后,细胞呈现蓝色、绿色和红色的荧光图像,形态轮廓清楚且荧光强度细胞质比细胞核强。qRT-PCR检测,随着Zn-CDs浓度的增加,MC3T3-E1细胞中Runx2、ALP和OCmRNA相对表达水平逐渐升高。茜素红染色,诱导21d后不同浓度Zn-CDs组MC3T3-E1细胞中钙结节数多于空白对照组。结论:Zn-CDs可以有效地进行MC3T3-E1细胞荧光成像,且Zn-CDs具有一定的促MC3T3-E1细胞向成骨方向分化的作用。