細(xì)胞變形性（Cellular deformability）是醫(yī)學(xué)上評(píng)價(jià)細(xì)胞生理狀態(tài)的一種很有前景的生物標(biāo)志物。目前，微流控技術(shù)已經(jīng)成為測(cè)量細(xì)胞變形性的一種強(qiáng)有力的工具。然而，現(xiàn)有的基于微流控技術(shù)的細(xì)胞變形性測(cè)量方法嚴(yán)重依賴于圖像分析，從而限制了其在高通量應(yīng)用中的可擴(kuò)展性。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了解決上述挑戰(zhàn)，香港城市大學(xué)（City University of Hong Kong）和香港心腦血管健康工程研究中心（Hong Kong Center for Cerebro-Cardiovascular Health Engineering，COCHE）的研究人員合作開發(fā)了一種并行的基于收縮變形性的微流控流式細(xì)胞儀（cDC）和一種集成式計(jì)算框架（ATMQcD）。這種cDC + ATMQcD系統(tǒng)利用細(xì)胞剛度指數(shù)（c1指數(shù)），可以在單細(xì)胞水平上評(píng)估臨床相關(guān)異質(zhì)性癌細(xì)胞群和來源于多種癌癥類型的癌細(xì)胞的侵襲性，包括乳腺癌、肺癌和膀胱癌。

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種cDC + ATMQcD系統(tǒng)在效率、靈敏度和成本效益方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移性評(píng)估方法，有潛力成為全球衛(wèi)生保健場(chǎng)景中用于快速篩查和精確臨床診斷的補(bǔ)充性和具有前景的工具。相關(guān)研究成果近期以“A deformability-based biochip for precise label-free stratification ofmetastatic subtypes using deep learning”為題發(fā)表在microsystems & nanoengineering期刊上。

具體而言，為了構(gòu)建一種高效、經(jīng)濟(jì)、高靈敏度和高通量的細(xì)胞力學(xué)性能測(cè)量方法，研究人員開發(fā)了一種并行的基于收縮變形性的微流控流式細(xì)胞儀。該微流控流式細(xì)胞儀具有四組微收縮通道，每組包含九個(gè)單獨(dú)的微收縮通道。這種設(shè)計(jì)使得其能夠以高通量和寬視場(chǎng)處理樣品，從而顯著提高操作效率。

圖1 基于收縮變形性的微流控流式細(xì)胞儀（cDC）設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)這種微流控流式細(xì)胞儀的臨床應(yīng)用，使用來自液體活檢的真實(shí)樣本進(jìn)行高通量細(xì)胞測(cè)量至關(guān)重要，這就需要更快的細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和更高的測(cè)量效率。因此，開發(fā)一種能夠同時(shí)追蹤多個(gè)快速運(yùn)動(dòng)物體的圖像分析系統(tǒng)至關(guān)重要。為此，研究人員開發(fā)了一種名為ATMQcD的計(jì)算框架。通過結(jié)合用于目標(biāo)檢測(cè)（Yolov5）、追蹤（Deep SORT）和分割（ResUNet++）的尖端技術(shù)，ATMQcD計(jì)算框架可以在一個(gè)視場(chǎng)中捕獲多個(gè)快速移動(dòng)的目標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)高通量細(xì)胞測(cè)量。利用ATMOcD計(jì)算框架，該研究獲得了與細(xì)胞形態(tài)和運(yùn)動(dòng)相關(guān)的多個(gè)參數(shù)，包括通過時(shí)間、細(xì)胞大小和收縮面積。

基于這些參數(shù)，研究人員開發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單的支持向量機(jī)（SVM）分類器，其在具有不同轉(zhuǎn)移潛力的乳腺癌細(xì)胞的分類應(yīng)用中，準(zhǔn)確率達(dá)到了0.934。此外，ATMQcD計(jì)算框架可以與基于細(xì)胞軌跡的生物力學(xué)分析相結(jié)合，以量化與細(xì)胞彈性模量成正比的細(xì)胞剛度。

圖2 細(xì)胞變形性的量化和ATMQcD計(jì)算框架

圖3 訓(xùn)練集生成和基于Yolov5的模型的建立

圖4 細(xì)胞追蹤和細(xì)胞變形性測(cè)量的量化

最后，研究人員使用具有不同轉(zhuǎn)移潛力的癌細(xì)胞系驗(yàn)證了cDC + ATMQcD系統(tǒng)區(qū)分具有不同變形性的細(xì)胞的能力。評(píng)估結(jié)果顯示，cDC + ATMQcD系統(tǒng)在缺氧治療前后進(jìn)行的侵襲性評(píng)估和癌細(xì)胞分層的分類準(zhǔn)確率達(dá)到92.4%。此外，該系統(tǒng)在區(qū)分癌細(xì)胞和白細(xì)胞方面也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能（準(zhǔn)確率為89.5%）。同時(shí)，該系統(tǒng)可用于評(píng)估來源于多種癌癥類型的癌細(xì)胞和混合細(xì)胞群的轉(zhuǎn)移潛力，甚至在現(xiàn)實(shí)世界的臨床條件下也適用。

圖5 cDC + ATMQcD系統(tǒng)對(duì)乳腺癌細(xì)胞的軌跡分析

圖6 量化細(xì)胞變形性以區(qū)分具有不同轉(zhuǎn)移潛力的細(xì)胞

綜上所述，通過結(jié)合微流控技術(shù)和深度學(xué)習(xí)，該研究提出的開創(chuàng)性cDC + ATMQcD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了每分鐘約25,000個(gè)細(xì)胞的高通量，并且具有高靈敏度、低成本和易于操作的優(yōu)勢(shì)。展望未來，這種cDC + ATMQcD系統(tǒng)有望通過與微流控技術(shù)集成進(jìn)行生物標(biāo)志物的富集和體外疾病模型的構(gòu)建，以實(shí)現(xiàn)在液體活檢、藥物測(cè)試和疾病機(jī)制研究等領(lǐng)域的更廣泛的應(yīng)用。

審核編輯：劉清