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基于显微成像的细胞生物信息检测2022-12-12 08:43:42

自1665年Hooke首次在植物中发现细胞至今已过去3个世纪,显微成像技术发展迅速,分辨率由毫米级提高到纳米级,使人们能够根据更精细的结构特征研究分析细胞. 从细胞图像中可获得大量生物信息,细胞形态学已越来越多地用于了解细胞生理变化,如细胞趋化性、细胞表型分析、疾病诊断等. 随着计算机图像分析技术的发展, 自动化处理和分析成像方法极大地促进了基于图像信息的生物研究.Cheng等开发了一种无需荧光标记的细胞分析技术,通过深度学习的方法分析反射显微镜图像信息,可在单细胞水平上对DNA等6个荧光靶标准确预测.与现有技术相比, 预测亚细胞结构的准确性提高了三倍.传统的图像分析只是针对静态照片,近年来对细胞随时间变化的动态影像信息分析受到更多的关注.Lan等通过细胞迁移过程中的图像信息研究NIH3T3成纤维细胞的迁移行为和细胞周期之间的关系,证明了细胞形态和动态亚细胞行为在细胞周期的每个阶段内都是同质的,但在阶段之间是异质的.

荧光显微镜通过荧光探针增强了显微图像所包含的信息,因其灵敏度高,特异性强和技术简单而成为生物成像的强大工具。在过去的几十年, 多种类型的荧光检测技术被开发用于亚细胞结构分析、生物分子检测以及细胞内离子、温度等信息的研究。Bounab等基于微流控平台开发了一种高通量检测方法,实现了对数以万计免疫细胞的分泌动力学、活力、内吞性以及表面标志物的同时测量。荧光探针通常采用荧光蛋白、有机分子,荧光纳米颗粒等形式设计,许多荧光探针具有激发和发射光波长宽的特点, 这导致在多探针使用过程中容易产生相互干扰。
 
Martino等报道了一种涂有二氧化硅的半导体微腔探针,其发射波长光谱宽度比普通荧光探针窄100倍,这一特性极大地降低了探针之间的相互干扰,实现了对数千个密集标记物的跟踪识别。除探针设计,荧光显微镜技术也在不断发展,新技术实现了对传统荧光显微镜难以观察的细胞生理过程的分析。常见的技术有荧光漂白恢复技术、荧光共振能量转移以及荧光寿命成像,通过利用特定的荧光特性,开发适用于特定信息检测的荧光探针。例如,荧光寿命成像显微镜可被用来研究磷脂酰胆碱前药在细胞内的运输和代谢过程。
 
出自《细胞生物信息学及技术》作者顾宁,王方旭,李艳。