一种结合人工智能的流式小室新方法定量分析红细胞渗透脆性

《Scientific Reports》：A novel AI-coupled flow chamber method quantifying erythrocyte osmotic fragility

研究人员为改进传统红细胞渗透脆性（OF）检测方法在自动化、可重复性及实时监测方面的不足，开发了一种集成AI成像软件的流式小室平台（BioExP），用于自动化、可重复的OF分析。研究证实该平台与传统方法结果一致，且能捕获供者特异性差异，并揭示脂多糖（LPS）在无血浆条件下可直接损害红细胞膜稳定性。该方法样本需求量小，支持实时成像和多条件测试，为红细胞膜稳定性及相关疾病研究提供了新工具。

　　

在生命科学与医学检验领域，红细胞渗透脆性（Osmotic Fragility, OF）测试是一项评估红细胞膜稳定性、水转运动力学以及诊断相关血红蛋白病的关键技术。传统上，这项检测依赖于分光光度法、肉眼观察或流式细胞术等方法。然而，这些技术往往面临一些挑战：它们可能自动化程度有限，导致操作繁琐且人为误差难以避免；难以实现高通量或实时动态监测；在检测的精确度和可重复性方面也有提升空间。因此，开发一种更高效、自动化且能提供更丰富信息的OF检测平台，对于基础研究和临床诊断都具有重要意义。

为了应对这些挑战，一个研究团队在《Scientific Reports》上发表了一项创新性研究。他们成功构建并验证了一种名为BioExP的新型检测平台。该平台的核心是将一个流式小室（flow chamber）与一套专有的成像分析软件相结合，软件利用人工智能（AI）驱动技术来自动识别和检测红细胞，从而实现了对OF的自动化、可重复分析。这项研究不仅旨在验证新平台与传统方法的一致性，还深入探索了OF检测中的关键参数，并利用已知的膜作用物质来检验平台的生物学灵敏度。

研究人员开展此项研究主要运用了以下几个关键技术方法：首先是基于流式小室与AI成像软件集成的平台构建与优化，这包括了确定诱导最大溶血所需的最佳孵育时间（即“饱足时间”）。其次，研究采用了经典的渗透脆性测定方法作为金标准进行对比验证。在实验对象方面，研究使用了四位健康供者的红细胞样本。最后，研究通过应用两种已知的膜调节剂——氯化汞（HgCl₂）来抑制水通道蛋白（Aquaporin, AQP）通道，以及脂多糖（LPS）来增加膜脆性，对新平台的生物学检测灵敏度进行了测试。

协议优化包括确定“饱足时间”和溶血动力学

研究首先对检测流程进行了优化。关键一步是确定了“饱足时间”，即在低渗溶液中诱导红细胞达到最大溶血程度所需的最优孵育时间，避免曝光过度或不足。同时，平台能够记录和分析整个溶血过程的动力学曲线，提供了比传统终点法更丰富的动态信息。

与经典方法的一致性比较

为了验证BioExP平台的可靠性，研究人员比较了来自四位健康供者的红细胞样本，分别使用新平台和经典方法测得的MCF₅₀值（导致50%红细胞发生溶血时的氯化钠浓度）。结果显示，两种方法得到的MCF₅₀值具有良好的一致性，表明BioExP平台能够准确复现传统的OF测量结果。

检测生物学灵敏度

研究进一步测试了BioExP平台检测细微生物学变化的能力。他们使用两种化学物质处理红细胞：40 μM的HgCl₂（用于抑制AQP水通道）和1000 μg/mL的LPS（用于增加膜脆性）。与对照组相比，两种处理均引起了MCF₅₀值的显著变化。AQP抑制导致MCF₅₀值降低（流式小室法：0.37 ± 0.01% NaCl；经典法：0.40 ± 0.01% NaCl），表明细胞在更高渗环境下即发生溶血，膜抵抗低渗膨胀的能力减弱。相反，LPS处理使MCF₅₀值升高（流式小室法：0.44 ± 0.01% NaCl；经典法：0.47 ± 0.004% NaCl），表明细胞在更低渗环境下才发生溶血，膜脆性降低。所有比较的p值均小于0.001，具有高度统计学意义。这些结果证明BioExP平台能够灵敏地检测出由特定通路调节引起的红细胞膜特性变化。

揭示LPS的直接膜损伤作用

一个特别重要的发现是，该研究在无血浆的培养条件下，观察到LPS单独作用即可导致红细胞MCF₅₀值改变。这提示LPS可能不依赖于血浆中的其他成分，而能直接与红细胞膜相互作用，影响其完整性。这一发现加深了对LPS（尤其在败血症等病理状态下）如何影响红细胞功能的理解。

平台优势

该研究凸显了BioExP平台的多个实用优势：它所需的样本体积极少，有利于珍贵或有限样本的分析；能够实现溶血过程的实时成像，直观观察细胞形态变化；并且便于在同一平台上进行多条件、并行的测试，提高了实验效率。

综上所述，这项研究成功开发并验证了一种结合AI成像的流式小室新平台（BioExP），用于红细胞的渗透脆性分析。研究得出结论：首先，BioExP平台与经典OF测定方法结果一致，且能捕获不同个体间的特异性差异。其次，该平台具有高灵敏度，能够可靠检测出由水通道蛋白抑制或脂多糖处理所引起的红细胞膜特性改变。尤为重要的是，研究揭示了在无血浆条件下，LPS本身即可直接损害红细胞膜的稳定性，这一发现具有重要的病理生理学意义。该平台以其微型化、自动化、可实时观测和高通量的特点，为红细胞膜生物学、相关疾病机制研究以及潜在的临床检测方法开发，提供了一个强有力的新型工具。