生物学中的成像:细胞图像值多少词?

“一幅画胜过千言万语”这句名言揭示了我们在理解和欣赏世界的过程中对视觉信息的重视程度。科学家们很久以前就开始“观察”生物学了，从观察宏观结构开始，一直观察到它们的组成部分，即细胞。

就像物理学家不断发现组成其他粒子的基本粒子一样，细胞并不是组织的最后组成部分。然而，细胞构成了一个重要的组织单位，调节重要的生物过程，观察它们教会了我们很多东西。1658年，人们通过显微镜观察到了红细胞¹不久之后，罗伯特·胡克创造了“细胞”一词，来指代构成软木塞的众多“孔”²．

显微镜已经成为生物学家的一个重要的伴侣工具，它已经不断改进，以达到越来越高的分辨率。毫无疑问，这推动了对疾病的认识取得了很大进展;显微镜对研究来说是非常宝贵的，现在它正在慢慢地被纳入药物发现过程中。

这种转变并不容易，因为成像已经被学术界的需求和手段所塑造。那么，细胞图像值得我们这么做吗?

可量化的艺术

看到细胞的图像总是让科学家和公众着迷，因为它揭示了生物学的美，并赋予了属于微观世界的概念的意义，这些概念很难概念化。

“脑弓”小鼠大脑海马体中粉彩神经元的共聚焦图像，每个神经元表达一种不同的颜色。图片来源:Jean Livet, 2007年奥林巴斯生物景观数字成像大赛，Jeff Lichtman实验室，哈佛大学剑桥，马萨诸塞州，美国。

随着荧光显微镜的出现，细胞成像已经真正成为一门艺术:我们现在可以用不同的染料标记特定的细胞或细胞的一部分，并由于3D成像的进步而将它们呈现在3D中。

然而，这些图像不仅仅是赏心悦目的:它们包含了令人难以置信的丰富信息。伦敦大学学院讲师Moeendarbary博士指出:

“可视化物理对象总是理解它们的最佳方式。”

从图像中提取出无数有趣的特征，其中许多可以使用高度特异性的荧光标记进行量化。首先，他说细胞成像“可以向我们简单地展示细胞最初的样子，这样我们就可以发现它们的形状和功能之间的联系。”

在其他可以视觉量化的指标中，内布拉斯加大学助理教授佩德里吉博士指出，“细胞形态、增殖、迁移以及基因和蛋白质的上调/下调是对实验条件的反应;在相关的情况下，细胞内过程也可以量化为细胞内空间位置的函数。”

最后，正如Pedrigi博士所解释的那样，成像还可以揭示比眼睛看到的更多的东西:

“有许多技术可以检查细胞的力学行为，其中大多数都需要成像来可视化细胞在施加载荷下的变形;例如，磁珠细胞仪、光镊和原子力显微镜。”正如佩德里吉博士所指出的，研究机械力很重要，因为“研究表明，细胞机械行为和特性的改变可能与功能失调的表型有关”。

监视细胞

那么，成像细胞的真正附加值是什么呢?毕竟，还有很多其他的检测方法，比如ELISA、PCR和Western Blots。

显然，与生化测试不同，成像独特地提供了关键的表型信息(尽管最近的进展已经看到荧光激活细胞分选，FACs，与细胞成像相结合^3.）.

可能不太明显的一点是，从标准生化分析中读出的结果通常忽略了成像提供的一个关键方面:地形信息。

在一些生化分析中，分析来自整个分析的内容池，这意味着我们无法知道哪个细胞亚群负责检测到的信号。相反，我们对整个细胞群的结果进行了平均，这些细胞群可能是高度异质的，因此忽略了细胞之间的重要差异⁴．有趣的是，激光显微解剖允许我们选择特定的细胞进行下游分析，但在固定的组织中⁵．另一方面，虽然FACs等其他分析方法确实能够进行单细胞分析，但它们仍然不能让科学家将结果与分析中细胞的原始位置联系起来。这是因为细胞必须从原始测定中分离出来，才能作为单细胞流过仪器。

相比之下，细胞成像可以对单个细胞进行研究，但也可以将结果与测定中的位置相关联。换句话说，我们可以监视细胞，可视化它们与其他细胞的物理相互作用，并研究微环境对它们行为的影响。这是至关重要的，因为现在有越来越多的证据表明，细胞在稳态和癌症等疾病中与它们的微环境严重相互作用^6、7．更重要的是，我们现在知道微环境可以影响细胞对药物的反应⁸．


通过活细胞成像研究t细胞的趋化迁移。来源:Explicyte immune - oncology。

(活)细胞成像的另一个重要优势是，它能够研究动态细胞过程，而不是其他固有地局限于在给定和最终时间点测量执行的标准测试。这可以为科学家提供独特的关键过程，如迁移，这是癌症等疾病的标志，并且可以作为药物靶向。

我们能放手吗?

细胞成像功能非常强大，但也有一些局限性。根据Moeendarbary博士的说法，“在固定的时间点对细胞成像非常简单，然而活细胞成像可能更复杂。”

在其他并发症中，机械和热漂移很容易在实时成像中出现，这可能会破坏整个实验。与此同时，Moeendarbary博士还指出，“细胞内部结构的高分辨率成像需要更先进的显微镜，而这些显微镜不太容易获得，也不太昂贵。”

一个更固有的限制在体外细胞成像的关键在于它的生理相关性。然而，随着器官芯片等越来越复杂的分析，这种情况正在逐渐改善。另一方面，在活的有机体内成像是可能的，而且非常强大⁹但往往需要更复杂的设备、人员和资金。

更一般地说，细胞成像需要熟练的人员，并且可能相当耗时，因为与其他生化分析相比，其采集率和吞吐量相当低^3.．它也可以很省钱，特别是当实验室转向复杂的3D细胞分析成像时。

此外，染色和成像活细胞可能有毒副作用。另一个与图像分析相关的问题存在，这在技术上具有挑战性。公司正在努力克服这些限制，开发自动化成像平台以及分析软件，以实现更高的成像吞吐量。

根据Pedrigi博士的说法，“细胞成像有很多方面涉及常规和基本任务，可以自动化，为生物研究人员节省时间。”

尽管所有的努力都在自动化成像，但人们不能忘记，科学家喜欢观察他们的细胞，对正在发生的事情有直接的感觉;他们很难完全放弃这项任务。

但是，正如佩德里吉博士所指出的那样，“如果自动化任务能被证明和人工任务一样准确地执行，那么它们很有可能会被研究界的许多人采用。”

换句话说，科学家们需要相信这些工具能够正确地进行成像，因为他们知道这些工具有多便宜，他们的协议有多独特。

红血球的扫描电子显微照片清楚地显示其双凹面圆盘形状。来源:安妮·卡瓦纳，惠康图片社。

结论

细胞成像本身已经成为一个迷人的领域，对大量新的生物过程产生了极大的热情和洞察力。

然而，这种成像的大部分仍然属于学术研究，可以依靠耗时和昂贵的成像协议来获得。

更多的努力需要集中在适应高通量和健壮的工作流程，以实现更有效的药物设计。

必须小心避免制造完全自动化的过程或绕过用户的工具:科学家喜欢亲自观察细胞。所有这些都是可以而且应该做到的，因为成像必然会为药物设计增加巨大的价值，特别是最近发现的细胞微环境对治疗的影响。

换句话说，我们现在需要根据细胞周围环境的功能来设计药物，这可以通过在复合物内成像细胞来进行独特的研究和测试在体外化验。

那么，细胞图像到底值多少字呢?

细胞图像现在已经证明，它们的价值即使不是很多，也有成千上万。随着高通量成像技术的出现，这个数字将呈指数级增长。但数量不是质量:相反，我们需要更好地从图像中以更高的吞吐量提取相关数据，更重要的是，我们需要改进工作流程，以促进成像并将其与其他生化分析结合起来。

引用:

1.历史笔记:血细胞的发现。安。中国。实验室。Sci．33， 237-8(2003)。

2.Ryan, J.， Gerhold, a.r.， Boudreau, V.， Smith, L. & Maddox, p.s.介绍现代光学显微镜方法。方法分子生物学．1563， 1-15(2017)。

3.梁丽娟，梁丽娟，刘志刚，刘志刚。流式细胞术在细胞图像分析中的应用。中国。实验室。地中海．27， 653-670(2007)。

4.Junkin, M. & Tay, S.系统免疫的微流体单细胞分析。芯片实验室14， 1246-60(2014)。

5.弗罗斯特，a.r.，埃尔图姆，i.e。， Siegal, g.p.， Emmert-Buck, m.r. & Tangrea, m.a.激光显微解剖。咕咕叫。Protoc。摩尔。杂志．112， 25a.1.1-30(2015)。

6.乔伊斯，J. a &波拉德，J. W.微环境调控转移。Nat. Rev. Cancer9， 239-52(2009)。

7.皮卡普，M. W.，莫，J. K. &韦弗，V. M.细胞外基质调节癌症的特征。EMBO代表。15， 1243-53(2014)。

8.儿子,B。et al。肿瘤微环境在治疗耐药中的作用。Oncotarget8,(2017)。

9.Sahai, E.阐明转移过程。Nat. Rev. Cancer7， 737-49(2007)。