细胞的高速全息摄影能发现疾病的物理信号

杜克大学的生物医学工程师设计了一种全息系统，能够每分钟成像和分析成千上万个细胞，从而发现和识别疾病的迹象。

　　

   

   

图像:一种新的快速细胞成像设备可以每分钟分析数万个细胞，以发现疾病的体征。底线包含被识别的整个细胞。中线显示每个细胞扫描的区域参数。最上面的一行显示了每个细胞的最终扫描结果，颜色标明了细胞的厚度。

杜克大学的生物医学工程师设计了一个全息系统，能够每分钟成像和分析成千上万个细胞，从而发现和识别疾病的迹象。

在概念验证演示中，该技术仅使用25个全息图中的4个基本细胞物理参数，就几乎100%准确地区分了健康样本和癌变或暴露于致癌物质的癌前细胞。结果表明，一种很有前途的筛查或诊断技术比目前的标准做法更简单、更便宜，使其成为远程、低资源设置的潜在目标。

这项研究发表在11月30日在线出版的《物理前沿》杂志上。

杜克大学生物医学工程教授亚当·瓦克斯(Adam Wax)说:“这些细胞通过扫描仪的速度是如此之快，如果计算机没有在屏幕上减慢它们的速度，你甚至都看不到它们。”“能够同时成像这么多细胞，我们感到非常兴奋，因为这表明了这项技术在即时诊断方面的潜力。”

在传统的细胞诊断过程中，从组织刮削或细针活检中获得的细胞被放在一个载玻片上，由训练有素的医生仔细放大和检查。但在某些情况下，染色过程会破坏细胞，而将玻片送到训练有素的专家的眼睛中，可能需要几天甚至几周的时间。

在新的全息成像方法中，样本细胞可以从采集仪器中冲洗到生物兼容的溶液中，然后插入微流控芯片中。这个小装置将样本转移到一系列平行通道中，这些通道通过直线摄像头，有点像传送带将新生产的物品通过自动扫描仪进行检查。当放慢速度时，细胞图像的行进让人想起《黑客帝国》(the Matrix)中的绿色字符级联在电脑屏幕上。

当这些细胞飞过时，该设备自动挑选出整个细胞，并发出光线穿过它们。根据光线从旅途中返回所需的时间差异和不受阻碍的参考光束，相机可以确定每个单元的地形，并计算其形状和高度等特征。虽然这些听起来像是简单的测量，但当它们与数以万计的数据点和先进的深度学习技术相结合时，它们可以成为发现疾病的灯塔。

在瓦克斯实验室工作的博士生、论文第一作者辛迪·陈(Cindy Chen)说:“处理一毫升样本大约需要30秒，而样本可能包含50多万个细胞。”“一旦完成，病理学家可以提取任何被成像的细胞的个人数据，以便更仔细地检查。”

为了证明这种方法的潜力，Wax和Chen使用它对来自三种不同细胞系的8500个细胞进行成像——健康乳腺细胞、癌性乳腺细胞和接触过镉(一种已知的强致癌物)的癌前乳腺细胞。虽然这项技术捕获了25个不同的细胞物理特征，但研究人员发现，在这种情况下，区分三种类型只需要四个特征。

通过使用机器学习算法，该设备能够成功地对每个细胞进行分类，准确率为98%至99%，仅使用其占据的2D区域、3D空间、形状和平均高度。

Chen说:“这是一种简单的、无标记的成像技术，获得的数据类似于流式细胞术，流式细胞术每次观察一个细胞，通常需要引入荧光标记。”“我们的想法是，通过这些丰富的定量数据，你可以比使用单一指标更好地分离细胞。”

“我们现在正试图弄清楚如何将这项技术应用于护理点，以查明发展中国家的人们是否已经接触到这些致癌物，比如地下水中的砷，”Wax补充道。“例如，你可以刷掉某人口腔顶部的一些细胞，看看他们是否暴露在饮用水中的致癌物中。”

这项研究得到了美国国立卫生研究院的支持(1R21ES029791)。

引用:

Automated Classi?cation of Breast Cancer Cells Using High-Throughput Holographic Cytometry