Классификация | Цитометрия |
---|---|
Аналиты | Клетки или частицы |
Другие методы | |
Связанный | Счетчик Коултера |
Проточная цитометрия ( ПЦ ) — это метод, используемый для обнаружения и измерения физических и химических характеристик популяции клеток или частиц. [1] [2] [3] [4]
В этом процессе образец, содержащий клетки или частицы, суспендируется в жидкости и вводится в проточный цитометр . Образец фокусируется для идеального потока одной клетки за раз через лазерный луч, где рассеянный свет характерен для клеток и их компонентов. Клетки часто маркируются флуоресцентными маркерами, поэтому свет поглощается, а затем испускается в диапазоне длин волн. Десятки тысяч клеток могут быть быстро исследованы, а собранные данные обрабатываются компьютером. [5]
Проточная цитометрия обычно используется в фундаментальных исследованиях, клинической практике и клинических испытаниях . Применение проточной цитометрии включает:
Анализатор проточной цитометрии — это инструмент, который обеспечивает количественные данные из образца. Другие инструменты, использующие проточную цитометрию, включают сортировщики клеток, которые физически разделяют и тем самым очищают интересующие клетки на основе их оптических свойств.
Первое устройство проточной цитометрии на основе импеданса , использующее принцип Коултера , было раскрыто в патенте США 2,656,508, выданном в 1953 году Уоллесу Х. Коултеру . Мак Фулвайлер был изобретателем предшественника сегодняшних проточных цитометров, в частности, сортировщика клеток. [6] Фулвайлер разработал его в 1965 году, опубликовав свою работу в журнале Science . [7] Первое устройство проточной цитометрии на основе флуоресценции (ICP 11) было разработано в 1968 году Вольфгангом Гёде из Университета Мюнстера , подано на патент 18 декабря 1968 года [8] и впервые выпущено на рынок в 1968/69 году немецким разработчиком и производителем Partec через Phywe AG в Геттингене . В то время методы абсорбции все еще широко использовались другими учеными по сравнению с методами флуоресценции . [9] Вскоре после этого были разработаны приборы для проточной цитометрии, включая Cytofluorograph (1971) от Bio/Physics Systems Inc. (позже: Ortho Diagnostics), PAS 8000 (1973) от Partec, первый прибор FACS (сортировка клеток с активацией флуоресценции) от Becton Dickinson (1974), ICP 22 (1975) от Partec/Phywe и Epics от Coulter (1977/78). Первый высокочастотный импедансный проточный цитометр без меток , основанный на запатентованной микрофлюидной «лаборатории на чипе», Ampha Z30, был представлен Amphasys (2012). [ необходима цитата ]
Первоначальное название технологии проточной цитометрии на основе флуоресценции было «импульсная цитофотометрия» ( нем . Impulszytophotometrie ), основанное на первой патентной заявке на проточную цитометрию на основе флуоресценции. На 5-й конференции Американского инженерного фонда по автоматизированной цитологии в Пенсаколе (Флорида) в 1976 году — через восемь лет после появления первого проточного цитометра на основе флуоресценции (1968) — было решено использовать название «проточная цитометрия», термин, который быстро стал популярным. [10]
Современные проточные цитометры способны анализировать многие тысячи частиц в секунду в «реальном времени» и, если они настроены как клеточные сортировщики, могут активно разделять и изолировать частицы с заданными оптическими свойствами с аналогичной скоростью. Проточный цитометр похож на микроскоп , за исключением того, что вместо создания изображения клетки проточная цитометрия предлагает высокопроизводительную автоматизированную количественную оценку заданных оптических параметров на основе клетка за клеткой. Для анализа твердых тканей сначала необходимо приготовить суспензию из одной клетки. [ необходима цитата ]
Проточный цитометр состоит из пяти основных компонентов: проточной ячейки, измерительной системы, детектора, системы усиления и компьютера для анализа сигналов. Проточная ячейка имеет поток жидкости (оболочковая жидкость), который переносит и выравнивает клетки так, чтобы они проходили по одной через световой луч для зондирования. Измерительная система обычно использует измерение импеданса (или проводимости) и оптические системы - лампы ( ртутные , ксеноновые ); мощные лазеры с водяным охлаждением ( аргоновые , криптоновые , лазеры на красителях); маломощные лазеры с воздушным охлаждением (аргоновые (488 нм), красные-HeNe (633 нм), зеленые-HeNe, HeCd (УФ)); диодные лазеры (синие, зеленые, красные, фиолетовые), в результате чего возникают световые сигналы. Детектор и система аналого-цифрового преобразования (АЦП) преобразуют аналоговые измерения света, рассеянного вперед (FSC) и света, рассеянного сбоку (SSC), а также сигналы флуоресценции красителя в цифровые сигналы, которые могут быть обработаны компьютером. Система усиления может быть линейной или логарифмической . [ необходима цитата ]
Процесс сбора данных из образцов с использованием проточного цитометра называется «приобретением». Приобретение осуществляется компьютером, физически подключенным к проточному цитометру, и программным обеспечением, которое управляет цифровым интерфейсом с цитометром. Программное обеспечение способно регулировать параметры (например, напряжение, компенсацию) для тестируемого образца, а также помогает отображать начальную информацию об образце при получении данных образца, чтобы гарантировать, что параметры установлены правильно. Ранние проточные цитометры были, в общем, экспериментальными устройствами, но технологические достижения сделали возможными широкое применение для использования в различных клинических и исследовательских целях. Благодаря этим разработкам был разработан значительный рынок для инструментов, программного обеспечения для анализа, а также реагентов, используемых при получении, таких как флуоресцентно меченые антитела .
Современные приборы обычно имеют несколько лазеров и флуоресцентных детекторов. Текущий рекорд для коммерческого прибора составляет десять лазеров [11] и 30 флуоресцентных детекторов. [12] Увеличение числа лазеров и детекторов позволяет производить множественную маркировку антител и точнее идентифицировать целевую популяцию по их фенотипическим маркерам. Некоторые приборы могут даже делать цифровые снимки отдельных клеток, что позволяет анализировать местоположение флуоресцентного сигнала внутри или на поверхности клеток. [ необходима цитата ]
Клетки должны равномерно проходить через центр сфокусированных лазерных лучей для точного измерения оптических свойств клеток в любом проточном цитометре. [13] [14] [15] Целью жидкостной системы является перемещение клеток по одной через лазерный луч и через весь прибор. Жидкости в проточном цитометре с возможностями сортировки клеток также используют поток для переноса отсортированных клеток в пробирки или лунки для сбора. [13]
Для точного позиционирования клеток в струе жидкости в большинстве цитометров используется гидродинамическая фокусировка. [13] [14] Клетки в суспензии попадают в прибор, заключенный во внешнюю оболочку жидкости. Ядро образца удерживается в центре оболочки жидкости. Скорость ввода образца или скорость прохождения клеток через лазерный зонд можно контролировать давлением оболочки жидкости на ядро образца. В оптимальных условиях центральный поток жидкости и оболочка жидкости не смешиваются. [ необходима цитата ]
Технология акустической фокусировки используется в некоторых проточных цитометрах для поддержки гидродинамической фокусировки. [13] [15] Акустические волны (>2 МГц) предварительно фокусируют образец перед введением в защитную жидкость. Затем предварительно сфокусированный образец вводится в гидродинамическое ядро и протекает через прибор. Это может помочь повысить точность данных при высоких скоростях ввода образцов.
Свет, излучаемый флуорофорами, находится в спектре длин волн, поэтому объединение нескольких флуорофоров может привести к перекрытию. Для повышения специфичности используются оптические фильтры и дихроичные зеркала для фильтрации и перемещения света к детекторам, таким как фотоумножители (ФЭУ) или лавинные фотодиоды (ЛФД). [13] Оптические фильтры проектируются как полосовые (BP), длиннопроходные (LP) или короткопроходные (SP) фильтры. Большинство проточных цитометров используют дихроичные зеркала и полосовые фильтры для выбора определенных полос оптического спектра.
Спектральная проточная цитометрия использует призмы или дифракционные решетки для рассеивания испускаемого маркером света по массиву детекторов. [13] [16] Это позволяет измерять полные спектры от каждой частицы. Измеренные спектры от отдельных клеток впоследствии разделяются с использованием эталонных спектров всех используемых красителей и спектра автофлуоресценции. Это может позволить более широкую конструкцию панели и применение новых биологических маркеров. [ необходима цитата ]
Визуализирующая проточная цитометрия (IFC) захватывает многоканальные изображения клеток. [13] [17] Детекторы, используемые в платформах визуализации, могут быть оснащены приборами с зарядовой связью (ПЗС) или комплементарными металл-оксид-полупроводниками (КМОП) для захвата изображений отдельных клеток.
Каждый флуорохром имеет широкий спектр флуоресценции. При использовании более одного флуорохрома может возникнуть перекрытие между флуорохромами. Эта ситуация называется перекрытием спектра и должна быть исправлена. Например, спектр излучения для FITC и PE - это тот, в котором свет, испускаемый флуоресцеином, перекрывает ту же длину волны, когда он проходит через фильтр, используемый для PE. Это спектральное перекрытие корректируется путем удаления части сигнала FITC из сигналов PE или наоборот. Этот процесс называется цветовой компенсацией, которая вычисляет флуорохром в процентах для измерения самого себя. [18]
Компенсация — это математический процесс, посредством которого корректируется спектральное перекрытие многопараметрических данных проточной цитометрии. Поскольку флуорохромы могут иметь широкий спектр, они могут перекрываться, вызывая нежелательный результат путаницы во время анализа данных. Это перекрытие, известное как переполнение и количественно определяемое в коэффициенте переполнения, обычно вызывается детекторами для определенного флуорохрома, измеряющими значительный пик в длине волны от другого флуорохрома. Для выполнения этой коррекции чаще всего используется линейная алгебра. [18]
В общем, когда отображаются графики одного или нескольких параметров, это показывает, что другие параметры не вносят вклад в показанное распределение. Особенно при использовании параметров, которые больше, чем в два раза, эта проблема становится более серьезной. В настоящее время не обнаружено инструментов для эффективного отображения многомерных параметров. Компенсация очень важна для того, чтобы увидеть различие между ячейками.
Данные, полученные с помощью проточных цитометров, можно нанести на график в одном измерении для получения гистограммы , или на двухмерных точечных диаграммах, или даже в трех измерениях. Области на этих графиках можно последовательно разделять на основе интенсивности флуоресценции , создавая ряд извлечений подмножеств, называемых «воротами». Существуют специальные протоколы гейтирования для диагностических и клинических целей, особенно в отношении гематологии . Отдельные одиночные клетки часто отличаются от клеточных дублетов или более высоких агрегатов по их «времени пролета» (также обозначаемому как «ширина импульса») через узконаправленный лазерный луч [19]
Графики часто строятся в логарифмическом масштабе. Поскольку спектры эмиссии различных флуоресцентных красителей перекрываются, [20] [21] сигналы на детекторах должны быть скомпенсированы как электронным способом, так и вычислительно. Данные, собранные с помощью проточного цитометра, можно анализировать с помощью программного обеспечения. После сбора данных нет необходимости оставаться подключенным к проточному цитометру, и анализ чаще всего выполняется на отдельном компьютере. [ необходима цитата ] Это особенно необходимо в основных учреждениях, где использование этих машин пользуется большим спросом. [ необходима цитата ]
Недавний прогресс в области автоматизированной идентификации популяций с использованием вычислительных методов предложил альтернативу традиционным стратегиям гейтирования. Автоматизированные системы идентификации потенциально могут помочь в обнаружении редких и скрытых популяций. Представительные автоматизированные методы включают FLOCK [22] в Immunology Database and Analysis Portal (ImmPort), [23] SamSPECTRAL [24] и flowClust [25] [26] [27] в Bioconductor и FLAME [28] в GenePattern . T-распределенное стохастическое встраивание соседей (tSNE) — это алгоритм, разработанный для выполнения снижения размерности , чтобы обеспечить визуализацию сложных многомерных данных на двумерной «карте». [29] Совместные усилия привели к открытому проекту под названием FlowCAP (Flow Cytometry: Critical Assessment of Population Identification Methods, [30] ), чтобы обеспечить объективный способ сравнения и оценки методов кластеризации данных проточной цитометрии, а также установить руководство по надлежащему использованию и применению этих методов.
Элементы управления Fluorescence minus one (FMO) важны для интерпретации данных при построении многоцветных панелей, в которых клетка окрашивается несколькими флуорохромами одновременно. Элементы управления FMO обеспечивают измерение перетока флуоресценции в заданном канале и позволяют компенсировать его. Для создания элемента управления FMO образец окрашивается всеми флуорохромами, кроме одного, который тестируется, — то есть, если вы используете 4 разных флуорохрома, ваш элемент управления FMO должен содержать только 3 из них (пример: флуорохромы — A, B, C, D; FMO — ABC_, AB_D, A_CD, _BCD). [ необходима цитата ]
Сортировка клеток — это метод очистки популяций клеток на основе наличия или отсутствия определенных физических характеристик. [13] [15] [31] В проточных цитометрах с возможностью сортировки прибор обнаруживает клетки, используя такие параметры, как размер клеток, морфология и экспрессия белка, а затем технологию капель для сортировки клеток и извлечения подмножеств для использования после эксперимента. [13] [15]
Первый прототип сортировщика был построен в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL) в 1965 году физиком Маком Дж. Фулвилером путем соединения датчика объема Коултера с недавно изобретенным струйным принтером. [32] Сортировщик живых клеток или сортировщик клеток с активацией флуоресценции (FACS) [a] был создан Леном Герценбергом , который впоследствии получил Киотскую премию в 2006 году за свою основополагающую работу. [34]
Сортировщики клеток проточной цитометрии имеют систему сбора, в отличие от анализаторов проточной цитометрии. Процесс сбора начинается, когда образец вводится в поток жидкости оболочки, который проходит через проточную ячейку и перехватывается лазером. [35] Затем поток переносит клетку через вибрирующую насадку, которая генерирует капли, большинство из которых содержит либо одну клетку, либо не содержит клеток. Электрическое зарядное кольцо помещается как раз в точку, где поток распадается на капли, и заряд помещается на кольцо непосредственно перед измерением интенсивности флуоресценции; противоположный заряд захватывается каплей, когда она отрывается от потока, и поэтому капли заряжаются. Затем заряженные капли падают через электростатическую отклоняющую систему, которая отводит капли в контейнеры на основе их заряда. В некоторых системах заряд прикладывается непосредственно к потоку, и отрывающаяся капля сохраняет заряд того же знака, что и поток. Затем поток возвращается в нейтральное состояние после отрыва капли. После сбора эти клетки можно далее культивировать, манипулировать ими и изучать. [ необходима цитата ]
Проточная цитометрия использует свойства света, рассеянного клетками или частицами, для идентификации или количественного измерения физических свойств. Метки, красители и пятна могут использоваться для многопараметрического анализа (для понимания дополнительных свойств клетки). Иммунофенотипирование — это анализ гетерогенных популяций клеток с использованием меченых антител [36] и других реагентов, содержащих флуорофор, таких как красители и пятна.
В качестве меток в проточной цитометрии можно использовать широкий спектр флуорофоров. [20] Флуорофоры, или просто «флуорофоры», [ требуется ссылка ] обычно прикрепляются к антителу, которое распознает целевой признак на клетке или в ней; они также могут быть прикреплены к химическому веществу со сродством к клеточной мембране или другой клеточной структуре. Каждый флуорофор имеет характерную пиковую длину волны возбуждения и испускания , и спектры испускания часто перекрываются. Следовательно, комбинация меток, которые можно использовать, зависит от длины волны лампы(-ок) или лазера(-ов), используемых для возбуждения флуорохромов, и от доступных детекторов. [37] Проточная цитометрия использует флуоресценцию в качестве количественного инструмента; максимальная чувствительность проточной цитометрии не имеет себе равных среди других платформ флуоресцентного обнаружения, таких как конфокальная микроскопия . Абсолютная чувствительность флуоресценции, как правило, ниже в конфокальной микроскопии, поскольку сигналы, находящиеся вне фокуса, отклоняются конфокальной оптической системой, а изображение формируется последовательно из отдельных измерений в каждом месте клетки, что сокращает количество времени, доступного для сбора сигнала. [38]
Квантовые точки иногда используются вместо традиционных флуорофоров из-за их более узких пиков излучения. [ необходима ссылка ]
Массовая цитометрия преодолевает предел флуоресцентной маркировки, используя изотопы лантаноидов, прикрепленные к антителам. Этот метод теоретически может позволить использовать от 40 до 60 различимых меток и был продемонстрирован для 30 меток. [39] Массовая цитометрия принципиально отличается от проточной цитометрии: клетки вводятся в плазму , ионизируются, а связанные изотопы количественно определяются с помощью времяпролетной масс-спектрометрии . Хотя этот метод позволяет использовать большое количество меток, в настоящее время он имеет более низкую пропускную способность, чем проточная цитометрия. Он также разрушает анализируемые клетки, исключая их восстановление путем сортировки. [39]
Помимо возможности маркировать и идентифицировать отдельные клетки с помощью флуоресцентных антител, можно также измерять такие клеточные продукты, как цитокины, белки и другие факторы. Подобно сэндвич-анализам ELISA , анализы с использованием цитометрической матрицы шариков ( CBA ) используют несколько популяций шариков, обычно различающихся по размеру и разным уровням интенсивности флуоресценции, чтобы различать несколько аналитов в одном анализе. Количество захваченного аналита определяется с помощью биотинилированного антитела против вторичного эпитопа белка с последующей обработкой стрептавидином-R-фикоэритрином. Интенсивность флуоресценции R-фикоэритрина на шариках количественно определяется на проточном цитометре, оснащенном источником возбуждения 488 нм. Концентрации интересующего белка в образцах можно получить, сравнивая флуоресцентные сигналы с сигналами стандартной кривой, полученной при последовательном разведении известной концентрации аналита. Обычно также называется матрицей цитокиновых шариков (CBA).
Системы анализа отдельных клеток на основе импеданса обычно известны как счетчики Коултера . Они представляют собой хорошо зарекомендовавший себя метод подсчета и определения размеров практически любых клеток и частиц. Технология без меток недавно была усовершенствована с помощью подхода, основанного на « лаборатории на чипе », и путем применения высокочастотного переменного тока (AC) в диапазоне радиочастот (от 100 кГц до 30 МГц) вместо статического постоянного тока (DC) или низкочастотного переменного поля. [40] [41] Эта запатентованная технология позволяет проводить высокоточный анализ клеток и предоставляет дополнительную информацию, такую как емкость мембраны и жизнеспособность . Относительно небольшой размер и надежность позволяют использовать аккумуляторную батарею на месте в полевых условиях.
Измеримые факторы в клеточном анализе и проточной цитометрии включают разнообразный набор признаков и индикаторов, которые обеспечивают важные сведения о биологии и функционировании клеток. Методы проточной цитометрии могут количественно определять и оценивать эти факторы, позволяя исследователям исследовать и анализировать различные аспекты клеток. Вот некоторые важные количественные параметры, которые часто исследуются:
Технология имеет применение в ряде областей, включая молекулярную биологию , патологию , иммунологию , вирусологию, [44] биологию растений и морскую биологию . [45] Она широко применяется в медицине, особенно в трансплантологии, гематологии, иммунологии опухолей и химиотерапии, пренатальной диагностике, генетике и сортировке спермы для предварительного выбора пола . Проточная цитометрия широко применяется для обнаружения аномалий сперматозоидов, связанных с фрагментацией ДНК [46] в анализах мужской фертильности . [47] Кроме того, она широко используется в исследованиях для обнаружения повреждений ДНК , [48] [49] расщепления каспазы и апоптоза . [50] Фотоакустическая проточная цитометрия используется при изучении бактерий с множественной лекарственной устойчивостью (чаще всего MRSA) для обнаружения, дифференциации и количественной оценки бактерий в крови, помеченных окрашенными бактериофагами. [51] В нейробиологии также можно анализировать коэкспрессию антигенов клеточной поверхности и внутриклеточных антигенов. [52] В микробиологии его можно использовать для скрининга и сортировки библиотек мутантов транспозонов, созданных с помощью транспозона, кодирующего GFP (TnMHA), [53] или для оценки жизнеспособности. [54] В белковой инженерии проточная цитометрия используется в сочетании с дисплеем дрожжей и бактериальным дисплеем для идентификации вариантов белков, отображаемых на поверхности клеток, с желаемыми свойствами. Основными преимуществами проточной цитометрии перед гистологией и IHC являются возможность точного измерения количества антигенов и возможность окрашивания каждой клетки несколькими антителами-флуорофорами; в современных лабораториях с каждой клеткой может быть связано около 10 антител. Это намного меньше, чем масс-цитометрия, где в настоящее время можно измерить до 40, но по более высокой цене и в более медленном темпе.
В водных системах проточная цитометрия используется для анализа автофлуоресцирующих клеток или клеток, которые флуоресцентно маркированы добавленными красителями. Это исследование началось в 1981 году, когда Кларис Йенч использовала проточную цитометрию для измерения флуоресценции в красном приливе, производящем динофлагеллят. [55] В следующем году исследователи опубликовали проточные цитометрические измерения нескольких видов водорослей, которые можно было различить на основе их флуоресцентных характеристик. [56] К 1983 году морские исследователи собирали свои собственные проточные цитометры [57] или использовали коммерчески доступные проточные цитометры на образцах морской воды, собранных у Бермудских островов, чтобы продемонстрировать, что клетки фитопланктона можно отличить от неживого материала и что цианобактерии можно отсортировать из смешанного сообщества и впоследствии культивировать в лаборатории. [58] Проточная цитометрия также позволила морским исследователям различать тускло флуоресцирующий Prochlorococcus и гетеротрофные микроорганизмы, различие, которое трудно провести при оценках на основе микроскопии. [59] Достижения в области технологий теперь позволяют ученым, изучающим водные ресурсы, использовать проточные цитометры непрерывно во время исследовательских круизов [60], а проточные цитометры используются для получения изображений отдельных клеток фитопланктона. [61] [62] Ученые, изучающие океан, используют сортировочную способность проточных цитометров для проведения дискретных измерений клеточной активности и разнообразия, [63] [64] для проведения исследований мутуалистических отношений между микроорганизмами, которые живут в непосредственной близости, [65] и для измерения биогеохимических скоростей множественных процессов в океане. [66]
Пролиферация клеток является основной функцией иммунной системы. Часто требуется проанализировать пролиферативную природу клеток, чтобы сделать какие-то выводы. Одним из таких анализов для определения пролиферации клеток является отслеживающий краситель карбоксифлуоресцеин диацетат сукцинимидиловый эфир (CFSE). Он помогает контролировать пролиферативные клетки. Этот анализ дает как количественные, так и качественные данные во время экспериментов с временными рядами. [67] Этот краситель ковалентно связывается с долгоживущими молекулами, присутствующими внутри клетки. Когда клетки делятся, молекулы тоже делятся, и дочерние клетки обладают половиной красителя, чем родительская популяция. Это снижение интенсивности можно визуализировать с помощью проточной цитометрии. [68] В литературе этот мощный метод проточной цитометрии и CFSE использовался для определения эффективности Т-клеток в уничтожении целевых клеток при раке, таком как лейкемия. Для визуализации гибели целевых клеток, как быстрой, так и медленной, ученые использовали маркировку CFSE с окрашиванием антителами определенных видов клеток и флуоресцентно маркированные микрошарики. Это также дало информацию относительно пролиферации целевых клеток при обработке определенными цитокинами. [69]
Проточная цитометрия использовалась для измерения размеров генома , или, точнее, количества ДНК в клетке или ядре . Хотя геномы можно анализировать с большей точностью с помощью геномного секвенирования , это часто бывает затруднительно из-за высокой доли микрохромосом или повторяющихся последовательностей , которые могут быть пропущены при секвенировании (или которые отфильтровываются на этапе анализа, когда их нельзя отнести к хромосомам ). Однако проточная цитометрия также не идеальна. Полученные размеры генома могут различаться в зависимости от используемого красителя. Анализ геномов рыб привел к значительно различающимся размерам генома при использовании пропидиум-йодида (PI) и DAPI соответственно. Например, было обнаружено, что геном Anguilla japonica содержит 1,09 пг ДНК с PI против 1,25 пг с DAPI. Аналогично, геном Myxocyprinus asiaticus содержал 2,75 пг ДНК (PI) против 3,08 пг (DAPI). То есть, различия были порядка 12–14%. [70]
{{cite web}}
: CS1 maint: другие ( ссылка )