《Optics and Lasers in Engineering》：Dual-angle Mueller matrix polarimetry: a label-free tool for cell death-inducing drug screening
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•所提出的双角度时间序列缪勒矩阵偏振测量技术实现了无标签、高通量的单细胞分析。•双角度时间序列缪勒矩阵可有效降低细胞死亡识别的误差。•细胞死亡的在线识别与半定量表征。引言细胞死亡在生物和医学各个领域发挥着至关重要的作用 [1]。在免疫系统中，细胞死亡通过清除自身反应性细胞和感
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所提出的双角度时间序列缪勒矩阵偏振测量技术实现了无标签、高通量的单细胞分析。
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双角度时间序列缪勒矩阵可有效降低细胞死亡识别的误差。
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细胞死亡的在线识别与半定量表征。
引言
细胞死亡在生物和医学各个领域发挥着至关重要的作用 [1]。在免疫系统中，细胞死亡通过清除自身反应性细胞和感染细胞来维持免疫耐受并控制感染。细胞死亡还通过平衡细胞更新和清除受损细胞来促进组织稳态。在疾病背景下，细胞死亡既能够预防也能推动病理发展。细胞凋亡和坏死是细胞死亡的两种主要途径，各自具有不同的机制和后果 [2]。细胞凋亡对于维持稳态、预防癌症和其他致命性疾病的发展至关重要 [3]。相比之下，坏死通常由外部因素触发，并引发免疫和炎症反应 [4]。在细胞调控化合物的开发、疾病进展的理解以及治疗效果的评估等领域，识别和区分不同细胞死亡状态的需求十分迫切 [[5], [6], [7]]。此外，细胞异质性给细胞死亡研究带来了重大挑战 [8]，因此增加了在单细胞水平上进行时序性细胞死亡识别的需求。
目前，细胞死亡识别的方法多种多样，其中金标准技术主要基于电子显微镜 [9] 或生化检测，如 Annexin V/碘化丙啶（PI）染色 [[10], [11]] 和 TUNEL 检测 [[12], [13]]。电子显微镜能够提供高分辨率图像，生化检测也具有高度的特异性和准确性。然而，这些方法耗时耗资，且并非无损测量 [2]。相比之下，无标签和非侵入性的单细胞分析技术凭借其优势在这些方面展现出巨大的应用前景。
多种无标签光学成像技术，如拉曼光谱 [14]、定量相位成像 [[15], [16]]、光学显微镜 [17] 和数字全息术 [18]，已被应用于细胞死亡过程的研究。Hu 等人提出了一种用于识别活细胞和死细胞的无标签定量相位成像方法，准确率达到 94.9% [16]。Verduijn 等人利用数字全息显微镜区分活细胞、凋亡细胞和坏死细胞，准确率达到 86.9% [18]。这些无标签方法在识别细胞死亡的固有特征方面展现了潜力，但目前通过固有信号提高细胞死亡分析的特异性和准确性仍然是一项挑战。
偏振是光的基本物理特性。与强度测量相比，缪勒矩阵测量对微观结构更为敏感，能够提供最全面的组织和细胞物理性质信息 [19]。此外，通过在强度测量系统中引入偏振态发生器（PSG）和偏振态分析器（PSA），缪勒矩阵测量可以便捷地实现 [[20], [21]]。在各种研究中，缪勒矩阵测量已被用作提高诊断准确性的有力工具，如胃肠道腔内结核病 [22]、乳腺癌 [23] 和皮肤癌 [24] 的诊断。在单细胞分析领域，偏振测量比光强测量提供了关于微观结构和光学特性的更全面信息，因此展现出令人前景的应用潜力 [[25], [26], [27]]。在近期的研究中，偏振测量越来越多地应用于细胞分类研究，如藻类细胞 [[28], [29], [30]]、生物细胞 [[31], [32]] 和酵母细胞 [33]。Hu 等人将偏振衍射成像与深度学习相结合，实现了红细胞的五分类和形状分析 [[34], [35]]。特别是，我们在前期研究提出的双角度缪勒矩阵偏振测量（DMMP）在实际测量分析中展现了卓越的单细胞识别能力 [31]。然而，由于单个细胞的形态异质性和随机取向，有限数量的偏振测量可能不足以完全捕捉其复杂的光学响应，凸显了获取更丰富偏振信息的需求。一种潜在的解决方式是利用单个细胞快速连续测量中包含的时间偏振变化。
在本研究中，我们基于前期建立的 DMMP 系统，开发了一种时间序列双角度缪勒矩阵（TS-DMM）分析框架，用于识别细胞死亡状态。DMMP 系统以 25 kHz 的速度连续采集单个细胞的偏振响应，生成在细胞通过过程中保留时间偏振变化的 TS-DMM 数据。随后采用卷积神经网络（CNN）从 TS-DMM 数据中提取判别性特征，建立自动化的细胞死亡状态识别系统（TS-DMM-CDI），用于预测活细胞、凋亡细胞和坏死细胞的比例。所提出的方法进一步展示了时间依赖性追踪、剂量依赖性和药物筛选能力，验证了该系统在细胞死亡相关应用中的潜力。本研究为单细胞水平上识别细胞死亡过程以及研究细胞状态转变和药物反应提供了一种新方法。
章节摘要
实验设置
在本研究中，采用前期工作 [31] 中建立的 DMMP 系统来测量单个悬浮细胞。在本研究中，进一步利用了其高速采集能力，连续记录细胞通过过程中的偏振响应，并重建相应的 TS-DMM。因此，本工作的一项关键创新在于将流动单细胞的双角度缪勒矩阵分析扩展到时间分辨维度。DMMP 的实物照片见图 S1，在
细胞死亡状态识别
在实验中，为了探究 TS-DMM 衍生特征是否可用于区分活细胞、凋亡细胞和坏死细胞，研究人员使用 Jurkat 细胞在丝裂霉素（Staurosporin）和紫杉醇（Shikonin）环境中分别诱导两种不同的细胞死亡模式：细胞凋亡和坏死。仅用 DMSO 处理的细胞作为对照组。在这三种条件下的图像如图 3 所示。从明场图像中可以看出，凋亡细胞和坏死细胞表现出
结论
本研究介绍了 TS-DMM-CDI，一种用于在单细胞水平上分类和表征细胞死亡的无标签方法，实验结果表明其在细胞生物学和药理学领域具有应用潜力。通过利用前期建立的 DMMP 系统的高速采集能力，本研究进一步提出了保留单个细胞通过过程中时间偏振变化的 TS-DMM 分析框架。在实验中，
CRediT 作者贡献声明
关彩中：构思、调查、验证、原稿撰写。曾楠：监督、资源、审阅与编辑。易敏：调查、验证。姚栓：调查、验证。何红辉：调查、验证。马辉：监督、资源、审阅与编辑。
利益声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
CRediT 作者贡献声明
关彩中：原稿撰写、验证、调查、构思。 曾楠：审阅与编辑、监督、资源。 易敏：验证、调查。 姚栓：验证、调查。 何红辉：验证、调查。 马辉：审阅与编辑、监督、资源。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作得到 深圳市重点基础研究项目（JCYJ20210324120012035）和 清华大学深圳国际研究生院交叉研究创新基金（JC2021002）的支持。
关彩中|曾楠|易敏|姚栓|何红辉|马辉
