活细胞质量动态转移分析工具AID的开发及其在癌症细胞生物学中的应用

本研究针对活细胞质量动态转移定量分析的难题，开发了基于Python的Analytical Image Differencing (AID)方法。通过hiQPI（非相干光源全息定量相位成像）技术获取人纤维肉瘤HT-1080细胞时序图像，首次提出"零线"概念作为细胞质量转移的生物标志物，实现了对癌细胞运动、药物响应的高精度表征，为癌症生物学研究提供了创新工具。

　　

在生命科学研究领域，活细胞行为的精确量化始终是重大挑战。传统显微镜技术受限于染色干扰和分辨率不足，难以捕捉细胞质量的动态变化。数字全息显微镜(Digital Holographic Microscopy, DHM)虽能实现无标记成像，但激光光源带来的相干噪声问题制约了测量精度。更棘手的是，现有分析方法无法有效表征细胞质量转移的时空特征，这严重阻碍了癌症细胞迁移机制研究和抗肿瘤药物开发。

针对这些技术瓶颈，布尔诺理工大学的研究团队开发了Analytical Image Differencing (AID)分析工具。该研究创新性地结合非相干光源全息定量相位成像(hiQPI)技术和Python编程算法，通过对人纤维肉瘤HT-1080细胞时序图像的智能分析，建立了全新的细胞质量动态评估体系。相关成果发表于《Computer Methods and Programs in Biomedicine》，为癌症生物学研究提供了突破性方法。

关键技术包括：1) 采用Q-Phase显微镜（40x/0.95物镜）获取30秒间隔的HT-1080细胞时序图像；2) 基于天文图像差值技术开发AID算法，量化相位差变化；3) 引入零线(zero-line)概念标记质量转移边界；4) 对比分析相干(QPI)与非相干(hiQPI)成像的噪声特性。

数据获取与解释
研究使用hiQPI显微镜获取亚纳米级精度的细胞相位图像，通过环境控制系统维持37°C、3.5% CO₂的培养条件。AID方法通过计算时序图像差值，将质量变化区域编码为红(减少)/绿(增加)色阶，实现4.6飞克/μm²的检测灵敏度。

结果
实验证明AID能清晰显示HT-1080细胞伪足延伸中的质量重分布。零线分析揭示：在相同时间间隔内，质量转移拓扑结构存在显著异质性。数值化输出显示，零线长度与细胞迁移活性呈正相关，可作为新型生物标志物。

讨论
相比传统Dynamic Phase Difference (DPD)方法，AID新增了质心向量分析和零线检测功能。hiQPI的0.9 nm光程差分辨率使微弱相位变化检测成为可能。研究同时发现，非相干光源较激光光源降低噪声约37%，显著提升AID输出信噪比。

结论
该研究创立了细胞质量动态分析的新范式。零线概念的提出为理解细胞运动起始机制提供了全新视角，AID方法在药物筛选中展现出独特优势。技术层面，研究证实hiQPI与AID的组合能同步监测癌细胞生长、迁移和周期变化，为发展精准抗癌策略奠定了方法学基础。专利技术Q-Phase显微镜的优化设计进一步保障了该方法在湍流介质中的成像稳定性，拓展了其在复杂生物环境中的应用前景。