關(guān)于Celloger Nano實(shí)時活細(xì)胞成像儀的技術(shù)解析

副標(biāo)題： 全自動、長時程、高內(nèi)涵的智能化活細(xì)胞研究平臺

發(fā)布日期： 2024年1月22日
作者： 森德儀器 應(yīng)用技術(shù)部
儀器類別： 生命科學(xué)儀器 / 細(xì)胞分析設(shè)備
閱讀時間： 約7分鐘
關(guān)鍵詞： 活細(xì)胞成像、實(shí)時成像、長時程培養(yǎng)、高內(nèi)涵分析、細(xì)胞動力學(xué)、藥物篩選、細(xì)胞治療、森德儀器

摘要
本文全面介紹Celloger Nano全自動實(shí)時活細(xì)胞成像分析系統(tǒng)的核心技術(shù)、功能特點(diǎn)與前沿應(yīng)用。該系統(tǒng)集成了穩(wěn)定精準(zhǔn)的細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境控制、高對比度無標(biāo)記成像技術(shù)和智能化圖像分析軟件，致力于在不干擾細(xì)胞自然狀態(tài)的前提下，實(shí)現(xiàn)從數(shù)小時到數(shù)周的長時間、動態(tài)、定量化觀測。文章將深入解析其自動對焦與多點(diǎn)位追蹤、低光毒性照明以及多維數(shù)據(jù)管理功能，并重點(diǎn)展示其在細(xì)胞增殖、凋亡、遷移、侵襲、干細(xì)胞分化、藥物作用機(jī)理及細(xì)胞治療產(chǎn)品質(zhì)控等領(lǐng)域的創(chuàng)新研究解決方案。

一、產(chǎn)品概述與核心定位

Celloger Nano是專為現(xiàn)代細(xì)胞生物學(xué)、藥物研發(fā)及細(xì)胞治療領(lǐng)域設(shè)計(jì)的智能化實(shí)時活細(xì)胞成像與分析系統(tǒng)。其核心定位是成為實(shí)驗(yàn)室中 “不間斷的細(xì)胞行為觀察者" ，旨在替代傳統(tǒng)終點(diǎn)法或手動取樣觀察，提供連續(xù)、動態(tài)、可量化的活細(xì)胞過程數(shù)據(jù)，揭示傳統(tǒng)方法無法捕捉的細(xì)胞事件細(xì)節(jié)。

核心設(shè)計(jì)理念：

• 全程自動化，解放人力： 整合自動對焦、自動載物臺、自動環(huán)境控制，實(shí)現(xiàn)無人值守的長期連續(xù)成像，確保數(shù)據(jù)一致性，極大提升實(shí)驗(yàn)效率。

• 生理環(huán)境模擬，保證活性： 精確控制培養(yǎng)箱內(nèi)的溫度、CO?濃度和濕度，為細(xì)胞提供接近體內(nèi)的生長環(huán)境，確保長時間實(shí)驗(yàn)過程中細(xì)胞的健康狀態(tài)。

• 低光毒性與高對比度成像： 采用優(yōu)化的LED光源與光學(xué)設(shè)計(jì)，在保證高質(zhì)量圖像的同時，大限度降低光照對細(xì)胞的損傷（光毒性），實(shí)現(xiàn)真正的非侵入性觀察。

• 智能化分析與量化輸出： 強(qiáng)大的分析軟件不僅能采集圖像，更能自動識別、跟蹤單個或多個細(xì)胞，并輸出增殖率、遷移速度、形態(tài)變化等數(shù)十種定量參數(shù)。

二、核心技術(shù)特點(diǎn)與性能解析

2.1 全自動、高穩(wěn)定的成像與培養(yǎng)系統(tǒng)

• 一體化智能培養(yǎng)與成像艙： 將高精度顯微鏡與小型化培養(yǎng)箱集成，溫度控制精度達(dá)±0.2°C，CO?控制精度達(dá)±0.1%，濕度維持>90%，為細(xì)胞提供數(shù)天至數(shù)周的穩(wěn)定生長環(huán)境。

• 高精度自動對焦與多點(diǎn)位追蹤： 采用激光自動對焦或軟件對比度對焦技術(shù)，在長時間實(shí)驗(yàn)中自動補(bǔ)償漂移，確保每個時間點(diǎn)的圖像都清晰準(zhǔn)確。支持預(yù)定義多個視野（XY點(diǎn)位）和時間序列（T點(diǎn)位），實(shí)現(xiàn)高通量并行監(jiān)測。

• 高效靈活的物鏡與濾光片系統(tǒng)： 通常配備4倍、10倍、20倍長工作距平場消色差物鏡，滿足從群體統(tǒng)計(jì)到單細(xì)胞細(xì)節(jié)的不同觀測需求。集成多通道熒光濾光塊組（如GFP， RFP， DAPI）和明場/相差成像功能。

2.2 低光毒性、高靈敏度成像技術(shù)

• 高均勻性LED光源： 為熒光和明場成像提供穩(wěn)定、可控的照明。LED光源壽命長、發(fā)熱量低，有助于維持培養(yǎng)環(huán)境穩(wěn)定，并顯著降低傳統(tǒng)汞燈或鹵素?zé)魩淼膹?qiáng)光毒性。

• 高靈敏度科學(xué)級CMOS相機(jī)： 具有高量子效率、低讀出噪聲和高動態(tài)范圍，能夠在低曝光條件下捕獲清晰的弱熒光信號，進(jìn)一步減少光照對細(xì)胞的刺激。

• 優(yōu)化的相差成像技術(shù)： 無需染色即可獲得高對比度的細(xì)胞形態(tài)圖像，是觀察細(xì)胞鋪展、分裂、遷移等動態(tài)過程的理想無標(biāo)記方法。

2.3 智能化圖像獲取與分析軟件

• 直觀的定時攝影與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)： 用戶可輕松設(shè)置成像間隔（從數(shù)秒到數(shù)小時）、總時長、曝光參數(shù)和多點(diǎn)位順序，創(chuàng)建復(fù)雜的長時間實(shí)驗(yàn)協(xié)議。

• 強(qiáng)大的細(xì)胞追蹤與定量分析模塊：

• 細(xì)胞增殖與匯合度分析： 自動計(jì)算指定區(qū)域內(nèi)細(xì)胞的覆蓋面積百分比（匯合度），生成生長曲線。

• 細(xì)胞遷移與追蹤： 自動識別并追蹤單個或群體細(xì)胞的運(yùn)動軌跡，計(jì)算遷移速度、方向性和位移等參數(shù)。

• 細(xì)胞形態(tài)學(xué)分析： 定量分析細(xì)胞的面積、周長、長寬比、圓度等形態(tài)特征變化。

• 熒光強(qiáng)度定量： 對熒光標(biāo)記的細(xì)胞或亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行熒光強(qiáng)度定量，監(jiān)測蛋白表達(dá)、鈣離子波動等。

• 數(shù)據(jù)可視化與管理： 可將時間序列圖像合成為動態(tài)視頻，直觀展示細(xì)胞行為；所有原始圖像與分析數(shù)據(jù)集中管理，便于回溯與分享。

三、應(yīng)用場景與解決方案

Celloger Nano廣泛應(yīng)用于需要動態(tài)觀測細(xì)胞行為的研究與開發(fā)領(lǐng)域。

3.1 主要應(yīng)用領(lǐng)域

• 細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)研究

• 應(yīng)用場景： 細(xì)胞周期進(jìn)程、有絲分裂、細(xì)胞凋亡與壞死、細(xì)胞自噬、細(xì)胞粘附與鋪展、細(xì)胞間相互作用。

• 解決方案： 長時程成像直接觀察細(xì)胞分裂次數(shù)與命運(yùn)；通過形態(tài)變化（如皺縮、出泡）區(qū)分凋亡與壞死；追蹤細(xì)胞與基質(zhì)的相互作用。

• 藥物發(fā)現(xiàn)與毒理學(xué)研究

• 應(yīng)用場景： 化合物或生物藥對細(xì)胞增殖的抑制/促進(jìn)作用、細(xì)胞毒性評估（實(shí)時IC50測定）、藥物對細(xì)胞遷移/侵襲的影響、心臟安全性評估（如心肌細(xì)胞搏動分析）。

• 解決方案： 實(shí)時監(jiān)測給藥后細(xì)胞形態(tài)、數(shù)量、活性的動態(tài)變化，獲得更精準(zhǔn)的藥效與毒性動力學(xué)數(shù)據(jù)，優(yōu)于終點(diǎn)法。

• 癌癥研究

• 應(yīng)用場景： 腫瘤細(xì)胞遷移與侵襲、血管生成（內(nèi)皮細(xì)胞管腔形成）、腫瘤球（3D細(xì)胞球）生長與藥物滲透。

• 解決方案： 在模擬體內(nèi)環(huán)境的基質(zhì)膠中追蹤癌細(xì)胞的遷移過程；長時間觀測內(nèi)皮細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)的形成與穩(wěn)定。

• 干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)

• 應(yīng)用場景： 干細(xì)胞增殖、克隆形成、定向分化過程監(jiān)測（如向神經(jīng)元、脂肪細(xì)胞、成骨細(xì)胞分化）。

• 解決方案： 無干擾地觀察干細(xì)胞集落的形成與擴(kuò)增；通過形態(tài)變化早期判斷分化趨勢。

• 細(xì)胞治療產(chǎn)品開發(fā)與質(zhì)控

• 應(yīng)用場景： 免疫細(xì)胞（如CAR-T， NK細(xì)胞）的擴(kuò)增動力學(xué)、對腫瘤細(xì)胞的殺傷動力學(xué)、細(xì)胞活力長期監(jiān)測。

• 解決方案： 在符合GMP要求的數(shù)據(jù)完整性框架下，定量評估治療用細(xì)胞的增殖能力與殺傷活性，為工藝優(yōu)化和放行檢驗(yàn)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

3.2 典型案例分析

• 案例：抗腫瘤藥物對癌細(xì)胞遷移抑制作用的實(shí)時評估

• 挑戰(zhàn)： 傳統(tǒng)Transwell或傷口愈合劃痕實(shí)驗(yàn)只能提供終點(diǎn)數(shù)據(jù)，無法反映藥物作用下細(xì)胞遷移行為的動態(tài)變化過程，且操作人為誤差大。

• 解決方案： 將腫瘤細(xì)胞接種在培養(yǎng)板中，使用Celloger Nano進(jìn)行連續(xù)成像（如每15分鐘一幀，持續(xù)24-48小時）。在細(xì)胞開始遷移后加入不同濃度藥物。軟件自動追蹤多個視野中細(xì)胞的運(yùn)動軌跡。

• 成效： 獲得了細(xì)胞遷移速度、方向持久性隨時間變化的完整曲線。不僅定量比較了不同藥物濃度的最終抑制效果，觀察到藥物在作用2小時后即開始改變細(xì)胞的運(yùn)動模式，而總位移的顯著差異在8小時后才顯現(xiàn)。這為理解藥物的早期作用機(jī)制提供了全新視角。

四、操作、維護(hù)與注意事項(xiàng)

4.1 標(biāo)準(zhǔn)操作流程簡述

1. 系統(tǒng)準(zhǔn)備： 開啟系統(tǒng)，預(yù)穩(wěn)定培養(yǎng)環(huán)境（溫度、CO?），在軟件中設(shè)置實(shí)驗(yàn)名稱和參數(shù)。

2. 樣品準(zhǔn)備與放置： 將接種了細(xì)胞的培養(yǎng)皿/板從傳統(tǒng)培養(yǎng)箱中取出，快速放入Celloger Nano的成像載物臺上。

3. 實(shí)驗(yàn)設(shè)置： 選擇物鏡，對焦，定義需要采集的多個XY視野；設(shè)置成像通道（明場/熒光）、曝光時間、采集間隔和總時長。

4. 啟動實(shí)驗(yàn)： 保存設(shè)置，開始自動成像。期間可遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)覽圖像。

5. 數(shù)據(jù)分析： 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，使用分析軟件進(jìn)行細(xì)胞追蹤、計(jì)數(shù)、熒光定量等處理，導(dǎo)出數(shù)據(jù)和視頻。

4.2 日常維護(hù)要點(diǎn)

• 每次使用后： 清潔載物臺和物鏡前鏡頭（如有污染），用軟布擦拭儀器外殼。

• 定期： 檢查CO?氣瓶壓力，更換水箱中的無菌水（用于加濕），根據(jù)使用情況校準(zhǔn)對焦系統(tǒng)。

• 光學(xué)部件： 保持光學(xué)清潔，避免灰塵污染。

• 軟件： 定期備份實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和項(xiàng)目文件。

4.3 關(guān)鍵注意事項(xiàng)

• 細(xì)胞狀態(tài)是關(guān)鍵： 起始細(xì)胞狀態(tài)必須健康，接種密度需根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模ㄈ缭鲋场⑦w移）進(jìn)行優(yōu)化。

• 培養(yǎng)皿兼容性： 確保使用的培養(yǎng)皿底部光學(xué)質(zhì)量良好（如玻璃底或?qū)Ｓ盟芰系祝穸确弦螅员ＷC成像質(zhì)量。

• 熒光染料選擇： 進(jìn)行長時間熒光成像時，應(yīng)選擇光穩(wěn)定性好、毒性低的染料（如某些活細(xì)胞染料），并盡量降低曝光強(qiáng)度和頻率。

• 對照設(shè)置： 必須設(shè)置未處理的對照組，以區(qū)分正常細(xì)胞行為變化與處理因素引起的效應(yīng)。

• 數(shù)據(jù)解讀： 動態(tài)數(shù)據(jù)信息量巨大，需結(jié)合生物學(xué)知識進(jìn)行審慎解讀，注意區(qū)分真實(shí)的生物學(xué)現(xiàn)象與可能的光漂白、焦點(diǎn)漂移等技術(shù)假象。

五、附錄與參考資料

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與指南

該系統(tǒng)的應(yīng)用與數(shù)據(jù)分析可參考以下新國際指南與共識：

• ISO 20391-2:2019《Biotechnology — Cell counting — Part 2: Experimental design and statistical analysis to quantify counting method performance》：細(xì)胞計(jì)數(shù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析的通用指南，對基于圖像分析的細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)有重要參考價(jià)值。

• MIQE Guidelines (Minimum Information for Publication of Quantitative Real-Time PCR Experiments) 及其衍生思想：雖然針對qPCR，但其強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)透明、數(shù)據(jù)可重現(xiàn)的理念，適用于需要發(fā)表活細(xì)胞成像定量數(shù)據(jù)的研究。

• 《細(xì)胞遷移檢測專家共識》：國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜野l(fā)布的指導(dǎo)性文件，對遷移實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、執(zhí)行和數(shù)據(jù)分析提供規(guī)范建議。

• ICH S7B《The Nonclinical Evaluation of the Potential for Delayed Ventricular Repolarization (QT Interval Prolongation) by Human Pharmaceuticals》：藥物心臟安全性評價(jià)的國際指南，其中體外心肌細(xì)胞 assays 可借助活細(xì)胞成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

• ISCT（國際細(xì)胞治療學(xué)會）發(fā)布的相關(guān)指南：對于細(xì)胞治療產(chǎn)品的體外功能學(xué)檢測（如增殖、殺傷），活細(xì)胞成像可作為符合指南精神的重要技術(shù)手段。

六、文章信息

關(guān)于廣東森德儀器有限公司

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