流式大咖说|量化成像分析流式在水生生物研究中应用——中国科学院水生生物研究所汪艳

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本期，中国科学院水生生物研究所分子与细胞生物学技术平台负责人汪艳老师带我们了解量化成像分析流式细胞仪在水生生物研究中应用。

量化成像分析流式在水生生物研究中应用

汪 艳

中国科学院水生生物研究所，湖北 武汉

流式细胞术最早一种检测浮游植物的分析工具,是根据微粒的荧光特性反映出浮游微型生物的大小、形状、结构或者是色素类型,从而对浮游微型生物进行定量和定性研究，分选功能有助于不同种浮游生物进行分离和富集培养。尽管流式细胞术在高通量模式下可以测量每个单个细胞的多个参数，但显微镜观察与分析微藻的表征和量化的方法仍然普遍。Amnis 公司推出了ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪设备，建立在传统的流式细胞术基础之上，结合了荧光显微成像技术，能对检测的每个细胞进行成像，提供超过百种量化成像参数，突破流式散点图与明场、荧光图像一一对应，获取高分辨的细胞形态和蛋白定位，完美解析细胞功能。

2020年本所购置一台量化成像分析流式细胞仪，浅谈ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪在水生生物中应用。

一、在浮游微生物的计数、活力、分类检测

随着工业的发展，水域污染日益加重，水体富营养化，从而引起藻类暴发性繁殖，发生赤潮，海洋生态系统遭到破坏。藻类的种类多样性指数能反映出不同环境下藻类个体分布丰度和水体污染程度，可充分利用藻类的分布来判断水质污染状况，以此达到治理水体污染的目的。藻类细胞计数、活力检测及分类是有助于了解细胞生长、密度、环境污染有着重要意义。

研究者发现水产养殖池塘中的样品用丙酮抽提测到的叶绿素a含量高，与显微镜计数换算的生物量相差较大，通过ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪证实池塘中微型藻类种类，以及真核藻和原核藻比例（图1、2）。

图1：ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪利用藻类叶绿素光和明场，可清晰观察5种不同藻类图像。图1A：单个纯种藻的图像，图1B：养殖池塘样本检测藻图像。

图2  ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪的IDEAS软件与人工智能分析模块对养殖池塘样本的藻进行分类与计数（Classfied是算出来的结果，Truth是用来训练算法）。

二、在环境毒理学的应用 

流式细胞术作为单细胞检测的主要技术手段，实时追踪细胞的活性状态，评估细胞的物理和生物学功能，是一种高效快速的毒性评价方式。ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪应用形态学量化对环境胁迫下藻细胞形态的自动化检测与评价。

形态学量化参数之一的圆度参数（circularity），其分值是衡量细胞的多个半径间差异的指标，所测算的细胞样本处于圆形且完整，多个半径间差异相对低，circularity分值较高，而样本形状不规则，多个半径间的差异较大，circularity分值较低（如图所示3）。

图3  形态学量化参数之一的圆度参数（circularity）

图4 ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪检测微囊藻被三氯生处理的形态参数圆度参数（circularity）显著的变化。

三、在细胞自噬中的研究 

细胞自噬(autophagy or autophagocytosis)：是细胞在自噬相关基因(autophagy related gene，Atg)的调控下利用溶酶体降解自身受损的细胞器和大分子物质的过程。自噬既是细胞应对极端环境的一种特殊手段，也是调控细胞正常生命活动的重要机制，自噬异常往往也是引起细胞损伤和老化的重要因素。自噬参与了肿瘤、衰老、炎症、免疫应答、心脑血 管疾病、氧化应激、神经退行性疾病、代谢、发育等许多重要的生物学过程。

研究自噬的方法很多，可采用透射电镜、荧光显微镜、共聚焦、Western Blot、流式细胞仪观察与检测自噬小体及自噬溶酶体的形成与定量，但无法在统计学定量基础上观察到整个自噬过程。ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪弥补流式细胞仪和荧光显微镜不足，在对所有细胞进行流式分析同时采集每一个细胞的图像，得出统计学结果。细胞发生自噬时，作为标记物的细胞质LC3蛋白经过加工在自噬体外膜表面大量聚集，利用IDEAS软件中的形态学量化参数Spot Count，能够在直观观察LC3荧光斑点的同时，准确统计每个细胞内LC3斑点的数量，对细胞自噬状态进行量化分析。

ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪检测草鱼性腺细胞（GCO）被草鱼呼肠孤病毒（GVRV）感染后自噬变化。转染 pEGFP-LC3B 的细胞， 在非自噬的情况下，荧光显微镜下 LC3B-GFP 以弥散的形式存在于细胞质中；而在自噬的情况下，荧光显微镜下 LC3B-GFP 则聚集在自噬体膜上，以斑点的形式表现出来，自噬程度越强，斑点数目越多（图5、6）。

图5  量化成像分析流式细胞仪检测草鱼性腺细胞（GCO）被雷帕霉素（Rapa）、草鱼呼肠孤病毒（GVRV）感染后自噬变化。

图6 利用IDEAS软件中的形态学量化参数Spot Count，观察LC3荧光斑点的同时，准确统计每个细胞内LC3斑点的数量。

四、在细胞免疫功能与免疫机制研究 

免疫细胞对非己物质的吞噬是机体的主要防御手段之一，检测吞噬活力是评价机体的免疫状况的重要参数。早期吞噬材料一般选为荧光素标记的葡萄球菌、大肠杆菌等。随着人造荧光微球技术发展，荧光微球的性质稳定及均匀的特点，选用不同大小、不同基团修饰的微球，进行准确的定量检测。

鱼类、两栖动物和爬行动物的B细胞具有显著的吞噬能力，这种吞噬能力来自两栖动物的IgM B细胞。采用ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪，证明了硬骨鱼的B细胞具有有高能力吞噬大颗粒微球，还有杀死摄入细菌的能力（图7）。    

图7 采用ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪检测草鱼B细胞有高能力吞噬大颗粒微球，并具有杀死摄入细菌的能力。

Amnis 公司2005年推出了世界上第一款量化成像分析流式细胞仪ImageStream100，经不断升级，ImageStreamX Mark II量化成像分析流式细胞仪检测速度和单个细胞的图像质量极大提升，逐渐被科学界认可，让研究者发现图像技术与多种技术融合魅力。

今年，全球流式细胞仪领军代表美国BD(Becton Dickinson)公司率先推出新的 BD FACSDiscover S8 细胞分选仪，是将显微成像技术、光谱技术与流式细胞术的完美结合，可视化图像分选细胞CellView核心技术登上了《科学》杂志的封面，掀起一股流式细胞仪创新技术融合与导向，引领科学研究的新手段。

【作者简介】

中国科学院水生生物研究所 分子与细胞生物学技术平台负责人 汪艳 高级工程师

汪艳，高级工程师，中国科学院水生生物研究所分子与细胞生物学技术平台负责人，18年来专注流式细胞技术领域，发表科研论文三十多篇，参与七项国家自然科学基金项目，获发明专利一项，主持中科院功能开发项目三项，2015年度获BD流式技术“杰出贡献奖”和个人“卓越奖”，2017年度获所个人突出学术贡献奖-技术能手奖。

（本文编辑：刘立东KOL）

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