细胞生死一秒辨：介电泳+高速成像技术

niwanmao

在临床和诊断应用中，快速区分异质细胞群体中的单个细胞是一个重要的需求。传统的细胞分析方法通常依赖于光学成像或介电特性分析，但这些方法往往需要独立的硬件设备，且无法同时获取细胞的形态和生理状态信息。为了解决这一问题，加拿大曼尼托巴大学的研究团队开发了一种新型微流控流式细胞仪，能够同时实现单个细胞的光学成像和介电特性分析。该技术结合了介电泳（Dielectrophoresis, DEP）和高速成像技术，为细胞的多模态分析提供了新的工具。

介电泳是一种基于细胞介电特性的无标记、非侵入性技术，能够通过施加非均匀电场来操纵和分析细胞。光学成像则能够提供细胞形态学参数，如大小、表面粗糙度和核大小等。通过将这两种技术结合，研究人员能够更全面地分析细胞的生理状态，并提高细胞表型区分的精度。这项研究不仅为细胞分析提供了新的方法，还为生物工艺监测和疾病诊断提供了潜在的应用前景。

材料与方法
这种微流控流式细胞仪，能够在细胞流动过程中同时进行光学成像和介电特性分析。该设备的核心部分包括一个微流控通道、光源和高速相机。微流控通道的深度为50微米，宽度为8毫米，通道底部布置了一对垂直于细胞流动方向的共面电极，用于施加介电泳力。通过施加频率依赖的电压，电极产生非均匀电场，从而根据细胞的介电极化能力改变其速度。

在实验中，细胞样本以每秒1300微米的速度通过微流控通道，高速相机以每秒226帧的速度捕捉细胞图像。图像处理算法基于Track.py，通过静态背景减除和阈值处理来识别和追踪细胞，并分析每个细胞的位置、速度、直径和偏心度等参数。通过测量细胞在通过电极前后的速度变化，研究人员可以推导出细胞的介电特性。

为了验证设备的准确性，研究团队首先使用不同大小的聚苯乙烯微球进行测试，随后将其应用于中国仓鼠卵巢（CHO）细胞的分析。通过多物理场模拟，研究人员建立了细胞速度、大小和介电极化能力之间的关系，从而能够更准确地评估细胞的生理状态。

结果

聚苯乙烯微球的验证实验

研究团队首先使用10微米和15.7微米的聚苯乙烯微球对设备进行了验证。通过施加1 MHz的介电泳电压，研究人员测量了微球在通过电极前后的速度变化。结果显示，两种大小的微球在速度变化上表现出明显的差异，与多物理场模拟的预测结果一致。图1展示了不同大小微球的速度变化与初始速度的关系，表明通过光学追踪和介电分析可以准确区分不同大小的微球。




CHO细胞的活性和非活性区分

在验证了设备的准确性后，研究团队将其应用于CHO细胞的分析，以区分活性和非活性细胞。通过多物理场模拟，研究人员预测了活性和非活性细胞在6 MHz介电泳频率下的速度变化。实验结果显示，活性和非活性细胞在速度变化上表现出显著差异，能够通过高斯混合模型聚类算法进行有效区分。图2展示了CHO细胞的速度变化与初始速度的关系，活性和非活性细胞分别形成了两个明显的簇。




此外，通过光学成像分析，研究人员还发现活性细胞的平均直径略大于非活性细胞，这与细胞在凋亡过程中体积减小的现象一致。图3展示了活性和非活性细胞的大小分布，进一步验证了设备的分析能力。



细胞大小与介电特性的关系

研究团队还发现，细胞大小信息可以进一步提高细胞表型区分的准确性。通过结合光学成像和介电分析，研究人员能够更精确地评估细胞的生理状态。例如，在CHO细胞培养中，细胞平均大小的减小可以作为细胞活性下降的指标，支持介电测量的结果。


这项研究展示了一种新型的微流控流式细胞仪，能够同时实现单个细胞的光学成像和介电特性分析。通过结合介电泳和高速成像技术，该设备为细胞的多模态分析提供了新的工具，能够有效区分活性和非活性细胞。研究结果表明，细胞大小信息可以进一步提高细胞表型区分的准确性，为生物工艺监测和疾病诊断提供了潜在的应用前景。

未来，研究团队计划通过优化设备设计和提高成像分辨率，进一步提升设备的分析能力和通量。此外，结合荧光标记技术，该设备还可以用于研究特定细胞功能与介电特性之间的关系，为细胞生物学研究提供新的方向。

参考文献：Arzhang, B.; Lee, J.; Kovacs, E.; et al. Combined Dielectric-Optical Characterization of Single Cells Using Dielectrophoresis-Imaging Flow Cytometry. Biosensors 2024, 14, 577. https://doi.org/10.3390/bios14120577