SPJ｜BMEF 悬浮无标记淋巴细胞的散射反演研究

Research Article | Open Access

Volume 2022 | Article ID 9867373 |

https://doi.org/10.34133/2022/9867373

近日，福建医科大学孟超肝胆医院刘小龙研究员、西安交通大学张璐副教授、西安交通大学第二附属医院钟波博士在 Science 合作刊 BMEF 上发表题为“ Scattering inversion study for suspended label-free lymphocytes with complex fine structures ”的文章。

人外周血淋巴细胞是检测细胞免疫和体液免疫的重要指标，对某些疾病如恶性肿瘤、自身免疫和免疫缺陷疾病的诊断具有重要意义。目前，通常使用细胞标记检测结合显微镜检查和流式细胞术等对细胞生物物理状态进行鉴定，然而，在免疫疗法中，细胞生长状态不应受到任何标记过程的干扰。由于细胞的内在特性与其病理过程密切相关，无需任何标记和其他破坏性处理即可检测细胞内在特性的技术就显得尤为重要。

光束照射在无标记细胞上时，其空间散射光带有其身份特征（体积、结构、成分等），前人已经证明细胞的体积变化与许多恶性疾病密切相关，因此，找出散射特性与细胞形态之间的关系对于无标记生物检测具有重要意义。在这项研究中，作者团队模拟了人类外周血中淋巴细胞复杂精细的内部和外部结构的真实形态，研究了它们的二维散射图像与光散射反演（Light Scattering Inversion，LSI）问题中膜和核体积之间的关系。

首先，作者团队建立了具有相同表面褶皱但无细胞核的淋巴细胞膜模型，基于6种不同体积的淋巴细胞膜模型，作者发现有效面积与淋巴细胞膜体积的增加有良好的线性关系（图1）。同时还设置了具有相同膜体积和折射率但细胞核体积不同的淋巴细胞模型，结果发现：与对照组相比，有效面积和细胞核体积之间的关系几乎没有变化，说明有效面积对散射反演中的膜体积具有良好的特异性。

图1：不同淋巴膜体积与有效面积的关系

随后，为了讨论散射图像反演细胞核的原理，作者团队建立了五个具有不同细胞核体积但相同的膜体积的淋巴细胞模型，结果发现ROI（Region of Interest）的熵随核体积的增加而增加，并且具有良好的线性关系（图2）。然后作者团队还探索了不同体积和不同细胞核形态的淋巴细胞模型，由此证明了ROI熵可以作为悬浮液中无标记淋巴细胞的细胞核体积的特定参数。

图2：核体积与四个特征值的关系

最后，作者团队通过具有已知形态和直径的悬浮标准聚苯乙烯微球（Standard Polystyrene Microspheres, SPM）定量评估了散射反演的精度（图3），并利用人体外周血中的无标记淋巴细胞验证了散射反演在实际应用中的有效性（图4），通过这两种样品的实验确定了散射反演的成功。

图3：有效面积与标准聚苯乙烯微球体积呈线性关系

图4：有效面积与淋巴细胞体积呈线性关系

总之，作者提出了一种悬浮液中反演无标记淋巴细胞的膜和核体积的方法，这种方法降低了实验系统和样品预处理的复杂性，使得无标记细胞的识别和分离变得快速而简单。此外，本研究的散射反演可以应用于识别人外周血中悬浮的无标记淋巴细胞，并可以推广到其他类型的细胞。

作者介绍

本文第一作者张璐副教授，目前就职于西安交通大学机械学院，她的主要研究方向是活体细胞光学无标记检测方法，无标记细胞定量相位成像与计算成像、光流控POCT生物检测系统开发等。本文的通讯作者是刘小龙研究员，目前就职于福建医科大学孟超肝胆医院肝病研究所，他的主要研究方向是肿瘤早期诊断新技术与新方法、免疫治疗与精准医学方面的基础与临床转化研究，并发表相关领域SCI论文100多篇。
本文的另一位通讯作者是钟波博士，目前就职于西安交通大学第二附属医院，她的主要研究方向为儿童支气管哮喘的诊断治疗以及支气管哮喘易感基因的鉴定与功能研究。

撰稿：王忠宇、张宏

审核：孙敏轩、刘萍萍、邓旻

原文链接：

https://doi.org/10.34133/2022/9867373

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