其形态与功能的动态解析始终是生命科学研究和临床诊疗的重要命题。然而,传统细胞成像技术长期受限于双重技术瓶颈:显微成像通量低,难以满足高通量分析需求;流式细胞术没办法提供细胞形态学信息,且依赖荧光标记。基于此,
实现了细胞成像速度的巨大突破,达到每秒1万个细胞,填补了国内外高通量高精度自动化细胞分析设备的空白。2017年,依托于清华大学天津电子信息研究院,天津凌视科技有限公司成立,并于2019年推出首台商用化设备。近日,仪器信息网一行走进了清华大学陈宏伟教授的实验室,一探这台“超高速流式细胞成像分析仪”的产业化进程。
陈宏伟介绍,细胞检测主要是采用显微镜观察与流式细胞术两类经典方法。这两种方法分别存在通量低、形态学信息缺失的痛点。以细胞生物学研究为例,研究人需要观察细胞的形态变化来研究细胞周期、细胞凋亡等过程。显微镜观察虽然能提供直观的细胞形态学信息,但检测通量低,难以对大量细胞进行快速分析。此外,由于整个操作的流程需要大量的机械/人工操作,检测效率相比来说较低,且有可能会出现漏检的问题。
流式细胞术的检测原理为检测细胞依次流经检测区域时的荧光信号,来对细胞进行特征分析。细胞在流动的过程中被检测,不容易出现漏检,且能轻松实现每秒数千至数万细胞的高通量检测。但是流式细胞术本质上是一种间接的检测的新方法,正如陈宏伟所说:
当前,基于图像的流式细胞检测因为受到CMOS/CCD等成像器件性能的限制,细胞通量通常在500~1000左右,且分辨率不佳。
针对这一瓶颈,陈宏伟团队开创了全新的成像技术,不仅将细胞成像速度提升至每秒1万个,较现存技术提升一个数量级,且成像分辨率达到500纳米,轻松连续捕获超10万帧影像数据,记录转瞬即逝的细胞动态过程。
他解释其技术的优越性:“我们采用高速重复频率激光脉冲作为光源,通过时空频映射对成像区域进行波分扫描。该技术完全基于光源自身光谱特性实现扫描,无需依赖机械或电子扫描装置”。陈宏伟随即展示了一组微藻细胞图像,即使在高速成像状态下,微藻细胞轮廓依然清晰锐利,未出现拖影现象。
。以循环肿瘤细胞(CTC)检测为例,CTC数量与患者的生存率呈负相关,是临床预后评估的重要指标。在流式细胞仪检测之前,首先利用超高速细胞成像分析仪记录细胞的形态照片,可以有很大成效避免因流式细胞仪无法分辨CTC细胞与巨核细胞碎片导致的计数误差,提高CTC检测的准确性和可靠性。这一兼容性得益于无标记明场成像技术,陈宏伟称:“市面上的影像流式细胞仪仍依赖荧光特征来识别细胞,而我们的技术则是基于无标记明场成像,
。”“当然,超高速细胞成像分析仪可以用在生化实验和流式细胞术之前,也能增加传统流式细胞仪的荧光分析功能”,陈宏伟补充道,“如果有市场需求的话,
针对传统流式细胞术的局限,多家企业推出了影像流式细胞仪。据行业多个方面数据显示,某头部企业首款影像流式产品上市首年即实现全球装机量超百台,其临床应用价值可见一斑。
仪器研发成功之后,陈宏伟团队乘胜追击,针对诸如尿沉渣、宫颈癌、血液检测等多种应用场景,
。陈宏伟称,高超速细胞成像分析仪可以对现有尿沉渣分析仪进行技术替代。尿沉渣分析仪的原理是通过一系列分析尿液中的有形成分(如细胞、管型、结晶等),来评估泌尿系统健康情况,超高速细胞成像分析仪已经实现了尿液中的有形成分的自动影像分析鉴别。“2022年,我们与深圳大学附属华南医院签署了针对尿沉渣检测及泌尿系统肿瘤筛查的‘新型尿液检测合作及临床研究合作’技术协议,院方经过一年的使用后,向我们反馈,
陈宏伟接着介绍,宫颈细胞学检查是宫颈癌筛查的传统方法,通过采集宫颈表面的细胞,在显微镜下观察细胞的形态和结构,以发现异常细胞。常见的方法有传统巴氏涂片法,即通过显微镜检查宫颈涂片中的细胞是不是真的存在异常。与传统巴氏涂片相比,液基薄层细胞学检查(TCT)通过液基处理技术,使细胞在载玻片上分布更加均匀,减少了细胞重叠和堆积的现象,来提升了检测的准确性。但是这两种方式均需要制片,还要专业病理医生阅片,医院每周出报告数量有限,不足以满足大量检测需求。超高速细胞成像分析仪无需制片,机器自动全规,将检测时间压缩至20min之内;此外,
目前,超高速细胞/微粒成像智能分析仪目前已经取得多项专利,其应用也逐步从生物医疗(宫颈癌早筛、尿沉渣检测、胸腹水分析)拓展到环境水质、餐饮微生物、石油化学工业、农业科学技术等领域。陈宏伟称,一些海洋/水微生物研究机构使用了超高速细胞/微粒成像智能分析仪后,研究效率获得极大提升。
个型号产品落地,公司具备大规模生产能力回溯从仪器研发到如今的应用拓展之路,陈宏伟坦言每一步都不容易:“初期在硬件方面的光路设计、光电探测、高速信号采集和后期软件开发,整一套流程都挺难的”,但是,陈宏伟自豪地补充;“克服了这些技术难题之后,可以说我们的产品已经处于领先水平,国内只有我们研制出产品机,并发布了多款不相同的型号的产品!”
据悉,当前天津凌视科技已经具备大规模生产能力,正在开展新一轮2000-3000万元的融资。未来,天津凌视科技将秉持“小步快走”原则,分阶段扩充研发团队、梯度式布局产品矩阵、开展精准化市场营销,持续深化技术迭代,同时构建“设备+耗材+数据分析”的产业生态闭环。
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