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科研干货 | 3D类器官深层智能成像分析加速精准用药流程

发布:珀金埃尔默企业管理(上海)有限公司
浏览次数:43

如今研究人员正越来越多的应用3D 细胞培养、微组织和类器官技术来填补2D 细胞培养与体内动物模型之间的差距。这是因为3D 模型能够更好地模拟微环境、细胞间相互作用和体内生物过程,因此相较于生化检测和2D 模型,3D 模型可提供更具生理相关性的条件。此外,其形态学和功能分化程度更高,这也赋予了它们更接近体内细胞的特征,并且从比体内动物模型具有更高的稳定性和可操作性,易于自动化,提高评估效率和准确性。

然而,3D 类器官模型面临着诸多挑战,您需要合适的工具才能克服它们。比如在细胞显微成像分析环节,大而厚的细胞样品成像难度极高;同时处理3D 细胞实验产生的海量数据则是最为严峻的挑战——而3D 类器官深层智能高内涵成像分析系统结合近红外荧光探针整合方案,助您看的更深、更准、更快。

国内外一线科学家团队典型案例

多伦多大学David Andrews 教授团队利用患者活检肿瘤样本,建立PDC 模型,并通过高内涵Opera Phenix 对进行高通量图像采集。除分析常见的细胞活力指标,如细胞核形态、线粒体膜电位和凋亡之外,David Andrews 团队进一步利用机器自学习的优势来深度挖掘药物处理后的表型变化,利用对照药物,研究通过多指标分析定义多种表型,并以此为基础进行临床抗肿瘤药物的药效预测。通过分析药物处理后的PDC 细胞表型,不仅能预测针对特定病人的药物治疗有效性,还能挖掘药物对应的细胞表型,做到了细胞表型-药物相互作用的深度分析。

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图源:多伦多大学David Andrew 教授

中国军事科学院王韫芳课题组,建立微肝球模型 (Liver biomatrices scaffolds, LBSs),结合高内涵筛选系统Operetta CLS 和多功能酶标仪Ensight,从细胞活力、分化、代谢功能、环境相互作用和药效预测等多个指标上预测药物肝毒性机及其毒理机制研究。

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图源:中国军事科学院王韫芳教授

高分辨率成像设计,助您看清三维每一处细节

高内涵成像分析系统专为3D 类器官模型研究而设计,可协助您快速方便地从3D 样品中获取信息量丰富、更具生理相关性的数据:转盘共聚焦成像可快速采集光学切片图像,而且具有优异的信噪比和X-Y-Z 高分辨率。共聚焦转盘上的针孔只允许来自焦平面的光通过,而非焦平面的光信号被阻挡在针孔外,大大提升了获取图像的信噪比。在最小激发光强度下,以极高的帧速进行图像采集,因此转盘共聚焦成像是3D 球状细胞团和活样品成像的理想之选,不仅采集速度快,且光漂白效应极低。水浸式物镜的数值孔径比空气物镜更高,可捕捉到比空气物镜多高4 倍的光信号,因此可在X-Y-Z 方向都提供更高的分辨率。这意味着可以更快地捕捉到更多细节,并能对3D 深层结构进行成像,此外,对脆弱的活细胞样品进行成像时,可将光损伤将至最低。

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人肝脏微组织图像,类器官以 Hoechst(核,蓝色)和 CellMask™ Deep Red 质膜染料(红,细胞膜)

3D 检测方法比传统的2D 检测方法更具挑战性,但这也正是研发过程中至关重要的一部分。其中一个挑战是如何从3D 细胞模型获取高质量图像。因为,诸如细胞核这类对象通常会沿着Z 轴变形,无法被正确分割。如本技术说明所述,当使用相同对象进行测试时,水浸式物镜能够显著改善3D 图像质量并检测到两倍于空气物镜的细胞核。

红外荧光试剂,实时监测3D 肿瘤微环境

红外 (NIR) 荧光试剂专为体内临床前成像设计。NIR 解决方案对于肿瘤学研究极有应用价值,同一肿瘤模型既可进行体外研究,也可通过异种移植物进行体内研究。靶向和可活化的NIR 试剂,最大激发波长低于700 nm,适用于多种基于高内涵类器官成像为基础的体外肿瘤模型。 为分析肿瘤相关生物标志物组织蛋白酶和基质金属蛋白酶的活性并使低氧区可视化 ,分别使用 100 µM NIR 试剂ProSense®680 (NEV10003)、MMPSense®680 (NEV10126)和HypoxiSense®680 (NEV11070) 对3D 肿瘤组织染色。ProSense 680 试剂(左)显示出对整个微组织的均匀染色。MMPSense 680 试剂(中)在单独的细胞中被强烈活化,并在3D 组织内显示出微弱的荧光信号。HypoxiSense 680 试剂(右)对微组织染色后,核心区域显示出最强荧光,指示肿瘤组织的缺氧状态。

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NIR探针染色人肿瘤类器官的明场和荧光图像叠加,生成特征性染色图样

低氧在恶性肿瘤以及快速发展的肿瘤中是一种普遍的现象,肿瘤内部血液供应不足产生的低氧环境与肿瘤的生理过程息息相关,包括基因调控、血管形成、信号通路的转导等。对于低氧相关通路的研究也是肿瘤治疗的新方向。为了研究低氧条件,在球体形成过程中接种不同数量的细胞,从而产生不同大小的微组织,HypoxiSense 680 荧光探针可指示肿瘤微环境内的低氧状态。

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智能化图像分析,从3D到切片一网打尽

Harmony 软件已开发出针对大型3D 高内涵数据集的3D 可视化和分析工具,能够对诸如囊肿、微组织或球状细胞团块等3D 对象进行容量分析。除了此处所示的形态和位置属性, Harmony 还可以计算其他的3D 形态、3D 强度和3D 纹理属性,以对3D 细胞模型进行详细的表型鉴定。此外,为了避免空图像等无用数据,Harmony 的 PreciScan 提供了低倍率的预扫描和高倍率的再扫描自动化工作流程,用于球状细胞团块的目标成像或其他小概率事件。

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配置Harmony 高内涵软件以及Preci-scan 智能目标扫描模块,该系统可以轻松获取低倍镜扫描结果,自动化智能识别微组织所在位置, 进行居中位置优化后,在高倍镜进行高分辨率X-Y-Z 成像数据采集。智能排除空白区域或不符合采集条件的破损组织区域。这一功极大的节约了采集和分析的效率,让您在单次扫描就可以自由获取不同倍数的多倍率数据信息,是类器官成像分析,稀有细胞事件采集分析的理想解决方案。

到目前为止,由于仍无适用于3D 高内涵数据分析的软件,即使是高质量的3D 图像也很难从中提取信息。由于3D 图像分析软件包是为在传统显微镜上采集单个样品而开发,因此通常以单个分析包的形式提供。用这样的软件包处理这种基于微孔板的高内涵数据费时费力,需要大量的用户交互和额外的数据转换步骤。Harmony 软件是一款集3D 图像采集、3D 可视化和3D 分析为一体的单一软件包,省去了采集和分析之间的数据转换。

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总而言之,配备了水浸式物镜和Harmony 软件的Operetta CLS 高内涵分析系统能够克服3D 分析中最关键的挑战,并为更多生理相关细胞培养模型的3D 成像和3D 表型鉴定提供了理想的一体化软件包。

另外高内涵都成像分析系统可兼容组织切片,获得多色全视野组织切片影像数据。凭借其强大的自动化成像光路设计和智能化的Harmony 分析软件,能在快速准确评估多色标记的免疫荧光组织切片,不仅提高了成像效率,同时也可对批量图像数据进行全自动智能化定量分析。

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图源:多伦多大学David Andrew 教授

以上案例进一步证明,无论是针对患者来源的细胞、微器官和组织切片模型,高内涵成像分析系统都凭借其强大的人工智能分析能力,可更快速适应用户自定义的自动化智能化细胞/微器官/组织成像及全方位分析需求,以加速临床前基础研究,促进科研转化和精准用药指导。


2020-03-26 17:27:21