目前，大部分的細胞檢測方法采用的仍然是傳統的終點法——僅僅給出最終結果，而且往往需要標記細胞和破壞細胞。這種方法無法得到細胞在生長時的真正狀態，也無法對細胞的生長過程做出動態的監測和分析。美國Essen公司開發了第二代長時間實時動態活細胞成像分析儀——IncuCyte Zoom，用一種非侵入式的方法，記錄細胞的實時生長狀態。這種成像方法，被稱為“實時細胞內涵成像”（Live Content Imaging），擴充了用戶記錄和理解細胞生長、細胞行為和細胞形態的途徑。
IncuCyte Zoom是一套用于非傷害的、長時間實時動態的活細胞成像分析平臺。IncuCyte分為信號采集機和控制機兩部分，信號采集機可放置于培養箱中，中間放置多種規格尺寸的板、皿、瓶及載玻片，在其下方有顯微照相設備，通過顯微拍照，對培養細胞進行連續的監測，并通過聯網的電腦進行遠程控制、數據讀取與分析。系統可自動收集每個時間點的相差圖像和紅/綠熒光圖像。用戶除了可以得到各種格式的圖像或動態錄像外，還可以得到由系統軟件自動依據飽和度和計數分析生成的基于圖像應用的圖表，以顯示細胞的變化及趨勢。
IncuCyte的優勢：1）培養的細胞用高清晰度相差顯微鏡或熒光顯微鏡直接監測，為非破壞性的監測，細胞不用染色便可以觀察監測，影像效果好；2）監測過程中細胞無需離開培養箱，不用擔心培養條件的改變對細胞的影響；3）真正的長時間的動態活細胞成像，可達數天或數月，高清晰度相差成像能消除微孔板的彎液面缺陷（meniscus artifacts），且沒有傳統顯微系統的光暈問題，可以在384微孔板內監測細胞形態；4）圖像處理軟件自動依據飽和度和計數分析，量化細胞增殖；5）自動輸出細胞生長曲線和細胞生長錄像；6）實時監控，可改變傳統的“終點法”實驗方法，數據豐富，更準確、更靈活；7）高通量，可同時監測6塊標準規格的細胞培養板/皿/瓶/載玻片，包括96-孔微孔板和384-孔微孔板，細胞在384-孔微孔板內實驗，可以減少寶貴的藥品消耗；8）支持超過200種的標準培養容器，無需特殊的培養容器，節約后期實驗成本；9）可遠程監控，進行數據讀取和分析，無需反復出入細胞房，避免了潛在的污染隱患及人工出入觀測之麻煩。
圖１：培養箱中的IncuCyte Zoom
與第一代成像儀IncuCyte FLR相比，IncuCyte Zoom是全新設計的，增加了很多關鍵的性能，包括支持多通道熒光成像，支持多物鏡選擇，增加了形態處理的能力和達到更高的速度。新增的特性有：1）IncuCyte Zoom可支持高清晰度（HD）相差、黃綠熒光和紅色熒光自動成像功能，圖像處理軟件支持對三通道成像的整合處理；2）用戶可在1分鐘之內自行更換4×、10×和20×物鏡，而無須專業人員的幫助；3）因為擁有12個全核處理器和新的軟硬件，其成像速度達到了第一代FLR的兩倍；4）采用了新的相機設計，使其更適合長時間觀察；5）設計了新的數據庫，使用戶能更方便的查找和檢索實驗數據；6）增加了數據的存儲量，配備了9TB的存儲空間，并支持外部數據存儲系統；7）提高了空氣流速，改善了散熱性能，增加了掃描時間；8）增加了系統監控，整合了濕度傳感器、加速計來監測不可接受的震動、風扇速度和內部溫度；9）用戶可用位于控制機前部的LCD控制面板方便地檢測和運行基礎狀態檢查和操作。
圖２：IncuCyte內部結構，支持超過200種標準培養容器，可同時觀察多達6塊培養容器
圖３：IncuCyte記錄的細胞的相差圖像和增殖曲線
圖３是IncuCyte記錄的細胞增殖的相差圖像和增殖曲線。左側圖像是在同一視野內間隔12小時拍攝的CHO細胞的相差圖像，圖像可以24小時連續生成，而無需將細胞移出培養箱。右側的增殖曲線是依據間隔3小時的圖像生成的，由軟件自動將圖像數據轉換成定量的飽和度vs.時間的數據，生成動態的增殖曲線。最后圖像會被導出成單獨的JPEG文件或視頻。
IncuCyte軟件功能：用戶可以在任何一臺聯網的計算機上操控儀器，而無需反復拿進拿出標本及出入細胞房，這使IncuCyte成為了一個“虛擬的培養箱”。IncuCyte最好的特點之一就是直覺式的軟件界面設計。用戶可以在軟件的操作界面上定義耗材的類型、拍攝的時間、位置及視野個數。支持在長時間拍攝過程中插入其他拍攝任務繼續進行拍攝，以充分利用儀器。IncuCyte可以自動對焦，自動進行圖像收集。對得到的圖像也可以進行亮度、尺寸、對比度的顯示控制。用戶可以自定義樣本信息，進行分組分析，并可以電子化標記器皿，設定關鍵詞，必要時可用設定的關鍵詞搜索數據庫，方便查詢過去任何時間得到的圖像和數據。用戶還可以直接從軟件中抓取圖像、圖表、曲線至Word、Excel、Powerpoint和Email中。生成的所有數據均可存檔，并且數據和圖表可以打包封存，便于用戶帶回家分析。IncuCyte Zoom的新特性包括多熒光圖像處理模塊和新的相差成像處理模塊。Zoom還設計了新的數據庫，使用戶能更容易查找和檢索實驗數據。
圖４：軟件操作界面
IncuCyte的應用：
（一） 監測細胞增殖（Proliferation）
可監測細胞的飽和度，或用熒光標定細胞核，計算細胞核的個數。
關鍵特性：1）IncuCyte Zoom結合NucLight Red和NucLight Green試劑，直接監測細胞增殖；2）在4×、10×或20×物鏡條件下對細胞核進行實時計數；3）每個時間點可提供576個（96孔板）和2304個（384孔板）孔的數據；4）自動進行圖像獲取和處理；5）可計算基于細胞核計數的倍增時間，而無須lift細胞；6）可得到生長因子對原生細胞（primary cells）和長生細胞（immortalized cells）增殖的影響；7）細胞不離開培養箱，所有數據均有圖像和影片驗證。
圖5：轉染NucLight Red lentivirus試劑的HT-1080細胞用不同濃度的放線菌酮（Cycloheximide，CHX）處理，在4×條件下用Zoom每3小時拍攝一次。雖然沒有觀察到細胞形態的變化，但觀察到基于濃度的細胞增殖的抑制。曲線下面積（AUC）值被用于計算化合物的IC50值。倍增時間通過計算指數生長公式得到。下方的圖像為48hr時的熒光圖像。
圖6：HUVEC細胞用NucLight Red lentivirus試劑轉染，血清饑餓2hr后用含1%FBS和不同濃度bFGF的基礎培養基培養（左圖），或bFGF保持在10ng/ml，而Suramin的濃度不斷增大（右圖）。用Zoom每3hr拍攝一次，左圖用4×物鏡拍攝，而右圖用10×物鏡拍攝。整個實驗進程中都進行了細胞核計數，并通過計算曲線下面積（AUC）獲得EC50和IC50值。
（二）細胞質控（Cell Culture QC）/細胞培養優化（Cell Culture Optimization）
監測細胞形態上的變化，對細胞培養進行質控，如進行自動化的細胞培養，用175T培養瓶，培養出大量且高質量的細胞，可做進一步細胞分析實驗的細胞來源。監測生長曲線與培養基的血清濃度的變化，尋找最適合的培養基的血清濃度。監測生長曲線與培養基的配方的變化，尋找最適合的培養基配方。
關鍵特性：1）對高清晰相差成像進行用戶定義的相分割；2）可收集到4×、10×或20×的圖像；3）非標記的相分割指標利用細胞飽和度跟蹤細胞隨時間的生長狀況；4）能夠檢測促血管生成（pro-angiogenic）和抗血管生成（anti-angiogenic）的反應；5）可對克隆進行計數和大小觀察；6）可通過對培養瓶不同部位的成像，優化細胞的分布；7）可對圖像和數據進行存檔，以便在未來對生長特性進行回顧確認；8）根據細胞飽和度，優化原生細胞和長生細胞的生長條件；9）可決定最佳接種密度；10）可分析微孔板布局，促進移液技術。
圖7：HUVEC細胞培養在包含生長因子和不同濃度胎牛血清（FBS）的培養基中，HUVEC的最佳FBS濃度是＞2.5%。
圖8：對不同接種密度的HT-1080細胞每3小時拍攝一次，一共拍攝3天，得到實時動態的飽和度vs.時間的圖像。
（三） 監測細胞毒性（Cytotoxicity）
細胞毒性發生時，細胞膜會破裂，這時使用非滲透的染料YOYO-1就可以將發生細胞毒性的細胞染色，然后用IncuCyte進行觀察。
關鍵特性：1）運用NucLight試劑，并結合細胞非滲透性DNA染料；2）可區別細胞毒性（Cytotoxic）和細胞抑制（Cytostatic）；3）可從雙色分析儀中輸出數據，計算EC50和IC50；4）可通過獲取4×、10×或20×的高清晰度相差圖像，跟蹤細胞形態，確認細胞是否死亡；5）可保存和重新使用過程定義，為未來的實驗分析YOYO-1和NucLight-Red數據。
圖9： HT-1080細胞用NucLight-Red標記，并在YOYO-1存在的條件下用喜樹堿（Camptothecin）處理。高清晰度相差圖像和熒光圖像用于確認細胞是否死亡。
圖10：用基礎分析儀（Basic Analyzer）計算紅色細胞核的個數和YOYO-1標記的細胞隨時間的變化。數據輸出后，曲線下面積（AUC）被用來計算喜樹堿（Camptothecin）對HT-1080細胞作用的IC50值和EC50值。
圖11：喜樹堿（Camptothecin）（上圖）和Cycloheximide（放線菌酮）（下圖）引起的HT-1080細胞的毒性（Cytotoxic Effects）和抑制作用（Cytotostatic Effects）。左圖表示用YOYO-1動態顯示的細胞的死亡，右圖表示用NucLight Red顯示的細胞的增殖。
（四） 監測細胞凋亡（Apoptosis）
CellPlayer細胞凋亡試劑盒中的凋亡試劑是DNA染料和Caspase3/7酶的底物的連接物。如果細胞發生Caspase3/7途徑的凋亡，當將此試劑加入培養基時，細胞膜上的活化的Caspase 3/7酶就會降解此連接物，使原來不發光的染料從連接物中脫離下來，與細胞的DNA雙鏈結合，從而發出黃綠熒光，被IncuCyte檢測到。這樣就可以用IncuCyte觀察細胞的凋亡全過程。
關鍵特性：1）用NucLight試劑標記細胞來檢測細胞的增殖，并動態監控化合物的細胞抑制（抗增殖）作用；2）直接向細胞中加入Caspase 3/7試劑，而無需額外的洗滌步驟，可檢測由內在或外在途徑引起的細胞凋亡；3）可從雙色分析儀中輸出數據，計算IC50和EC50。4）用4×、10×或20×物鏡觀察高清晰度相差圖像，以確定細胞的死亡；5）定量的可重復性：可保存并重新使用過程定義，方便未來實驗時分析Caspase 3/7和NucLight Red數據；可進行96孔和384孔形式的實驗；每次可觀察6塊微孔板。
內在通路（Intrinsic Pathway）引起的細胞凋亡：
圖12：表現為紅色細胞核的宮頸腺癌細胞在有Caspase 3/7試劑的條件下用不同濃度的十字孢堿（Staurosporine，SSP）處理。過程定義可以準確計量紅色細胞核對象個數和綠色Caspase 3/7對象個數。
圖13：通過基礎分析儀輸出Caspase對象個數/mm2和細胞核對象個數/mm2，并利用曲線下面積（AUC）計算出EC50和IC50。
圖14：用基礎分析儀，可檢測隨時間改變的Caspase 3/7活性（左圖）和細胞核個數（右圖）。
圖15：外在通路引起的細胞凋亡。在5μg/ml放線菌酮（Cycloheximide）存在的條件下用不同濃度的腫瘤壞死因子α（TNF-α）處理A549肺上皮細胞（Lung Epithelial Cells），用基礎分析儀定量計算Caspase 3/7的活性。
（五） 監測細胞遷移（Cell Migration）/監測細胞侵襲（Cell Invasion）
IncuCyte的Migration模組中有96孔的傷口劃痕器（Wound Maker），可以在96孔微孔板上生成96個均勻一致的傷口，然后用IncuCyte記錄傷口愈合（Wound Healing）的實時動態全過程。
IncuCyte可以從預設的時間點來獲得圖像并轉換成影片。系統記錄了初始的Wound Mask，然后隨著Revised Wound Mask的生成，系統持續記錄圖像來跟蹤傷口的愈合。IncuCyte還可用于其它細胞運動如“遷移”和“侵襲”的監測。用戶可以很直觀地通過2D的遷移和3D的侵襲圖像來觀察細胞形態的變化，并對兩種細胞運動方式進行對比。在我們的高清成像基礎上，細胞無需標記就可以進行觀察。使用專利的算法，可以得到綜合的基于時間推移的持續性圖像采集指標，包括：相對傷口密度（專利）、傷口飽和度、傷口寬度，使實驗結果的定量性和重復性更好。所有時間點的指標都可以通過細胞圖像和影片進行驗證。
細胞遷移/細胞侵襲的關鍵特征：1）可在同一塊96孔微孔板中通過4×、10×或20×的物鏡測量2D的細胞遷移和3D的細胞侵襲；2）在每個時間點可生成576個孔的數據（6×96）；3）可對原生細胞系和長生細胞系進行非標記的細胞遷移/細胞侵襲定量測定；4）可自動分析測量相對傷口密度、傷口飽和度和傷口寬度；5）可用圖像和時序錄像驗證藥理學作用；6）可用Zoom的雙色熒光系統拍攝和研究細胞遷移和細胞侵襲中的熒光細胞。
圖16：左圖是HT-1080細胞在8mg/ml Matrigel中的細胞侵襲圖像；右圖是MDA-MB-231細胞在6mg/ml Matrigel中的細胞侵襲圖像。
圖17：左圖是三種細胞系，HT-1080、MDA-MB-231和MCF-7的細胞遷移曲線；左圖是兩種細胞系，HT-1080和MDA-MB-231的細胞侵襲曲線，MCF-7細胞不發生細胞侵襲。
圖18：藥理學研究：顯示肌球蛋白抑制劑（blebbistatin）對HT-1080細胞在8mg/ml Matrigel中的細胞侵襲的濃度響應。
（六）監測血管新生（Angiogenesis）
血管新生是一種復雜、多步的過程，包括內皮細胞增殖、內皮細胞遷移和血管形成。IncuCyte的CellPlayer Angiogenesis PrimeKit將GFP標記的人臍帶血管內皮細胞（human vascular endothelial cells，HUVECs）和正常的人真皮成纖維細胞（normal human dermal fibroblast，NHDFs）共培養，共培養物就會有新生血管生成，然后用IncuCyte進行觀察。IncuCyte Zoom和CellPlayer Angiogenesis PrimeKit合用，能監測血管生成的全過程，同時測定藥物對血管生成的作用。
關鍵特性包括：1）使用人類的原生細胞和共培養體系顯示血管新生過程中的所有階段的變化；2）有活細胞和冷凍細胞試劑盒兩種選擇；3）Zoom和血管新生軟件相結合可自動獲取時序性圖像，提供血管長度、血管面積和分支節點個數等動態指標；4）動態讀數可研究復雜的通路，包括VEGF（血管內皮生長因子）和non-VEGF（非血管內皮生長因子）信號介導的血管新生和血管分解；5）能測量促血管生成（pro-angiogenic）和抗血管生成（anti-angiogenic）的作用；6）所有數據均有圖像和影片進行驗證；7）可在96孔微孔板中反應，數據定量并可重復。
Essen可提供CellPlayer血管新生原生冷凍試劑盒（CellPlayer Angiogenesis PrimeKit -Cryo）、CellPlayer血管新生原生新鮮試劑盒（CellPlayer Angiogenesis PrimeKit-Live），和血管新生實驗外包服務。具體試劑盒規格和實驗外包服務可參考Essen網站。
圖19：血管新生，第1天和第14天對比，血管長度從0.6mm/mm2增長到11.6mm/mm2
圖20：不同濃度的血管內皮生長因子（VEGF）對血管新生的動態作用。
另一種試劑盒是CellPlayer Angiogenesis StemKit，它將用GFP標記的內皮克隆形成細胞（endothelial colony-forming cells，EDFC）和脂肪組織來源干細胞（adipose-derived stem cells，ADSC）共培養，共培養物就會有新生血管生成，然后用IncuCyte進行觀察。IncuCyte Zoom和CellPlayer Angiogenesis StemKit合用，能監測血管生成的全過程，同時測定藥物對血管生成的作用。
關鍵特性包括：1）是人類來源的共培養干細胞模型；2）以冷凍試劑盒形式提供；3）比PrimeKit試劑盒的血管生成速度更快；4）外皮細胞生物學（Pericyte biology）；5）可對血管形成和血管分解進行動態讀取；6）所有指標均有圖像和錄像進行驗證；7）可在96孔微孔板上進行實驗，重復性好（Z’＞0.8）。
Essen可提供冷凍形式的CellPlayer血管新生干細胞試劑盒（CellPlayer Angiogenesis StemKit）和血管新生實驗外包服務。具體試劑盒規格和實驗外包服務可參考Essen網站。
圖21：將促血管新生蛋白因子（angiopoietin 2，Ang-2）加入已形成的血管網絡中，動態數據顯示血管發生分解。
（七） 監測報告基因（Reporter Gene）
細胞用含GFP的載體轉染，GFP的上游插入需要研究的啟動子。這樣就可以通過IncuCyte觀察GFP的熒光強度和發出熒光的細胞數目，從而監測啟動子的活性或報告基因的表達活性。
與傳統的終點熒光素酶方法對比，IncuCyte的關鍵特征在于：1）數據豐富：96孔的實時動態數據可獲得終點法無法獲得的洞察能力；2）節約成本：無需裂解，無需熒光素酶法需要的終端反應底物，節省時間和花費；3）方便：實時動態讀數使用戶能在單個的實驗中優化信號窗，無需事先決定何時終止實驗；4）敏感：可得到每個條件下的多個時間點數據，增加了實驗的定量性和穩定性（quantitative robustness）；5）可定制：用戶可根據需要定制啟動子，修改反應體系，監測藥物對報告基因的作用。
Essen可按照客戶需要提供此實驗的外包服務，具體外包服務內容請參考Essen網站。
圖22：rhTNF-α刺激誘導的HEK293細胞中，rhGFP報告基因表達的NF-κB的活性。在用pNF-κB-rhGFP報告基因轉染的HEK293細胞中，用3倍稀釋的rhTNF-α處理。圖像以15min為間隔獲得。對象飽和度（Object Confluence）表示報告基因的表達和/或啟動子的活性。
（八）細胞分化研究（Cell Differentiation）：可在培養箱中對細胞進行長時間動態分析。
IncuCyte Zoom的應用總結：
1）監測細胞增殖（Proliferation）：通過實時動態成像，對細胞增殖進行非侵入性的、定量的分析；
2）細胞培養質控（Cell Culture QC）/細胞培養優化（Cell Culture Optimization）：通過實時動態成像，可生成基于細胞飽和度的動態生長曲線；
3）監測細胞毒性（Cytotoxicity）：將染料和細胞混合然后讀數，操作者可離開，是基于染料的實驗；
4）監測細胞凋亡（Apoptosis）：將凋亡試劑和細胞混合然后讀數，操作者可離開，是基于染料的實驗；
5）監測細胞遷移（Cell Migration）/細胞侵襲（Cell Invasion）：配套高度一致性的96孔傷口劃痕工具，實時動態監測傷口的愈合過程，可得到細胞運動的定量指標；
6）監測血管新生（Angiogenesis）：使用通過驗證的血管新生試劑盒，具有動態分析血管新生的定量指標；
7）監測報告基因（Reporter Gene）：細胞無需裂解，可獲得實時動態數據；
8）細胞分化研究（Cell Differentiation）：在培養箱中對細胞進行長時間動態分析等。
總結：
以上一些關鍵的重要的應用介紹，展示了IncuCyte Zoom 系統在定量的、非入侵性的、實時細胞分析上的作用。非標記、非損傷性的成像技術以及數據分析可以讓用戶獲得高質量的圖像、錄像和數據。與其他利用電子阻抗監測細胞不同，IncuCyte可以記錄細胞形態，得到圖像和動態的錄像。另外，Essen還開發出更多的活細胞實時動態觀察試劑盒（live cell kinetic assays and reagents），與Zoom配套使用，進行實驗開發（assay development）、技術評估（technology assessment）、外包服務（fee-for-service outsourcing）和藥物開發合作（drug discovery partnerships）。
滬公網安備31011502016460號
