流式细胞术曹雪涛 流式细胞术:原理、操作及应用(第2版)

    1概述          流式细胞术(flow cytometry)是20世纪60年代后期开始发展起来的利用流式细胞仪(flow cytometer)快速定量分析细胞群的物理化学特征以及根据这些物理化学特征精确分选细胞的新技术,主要包括流式分析和流式分选两部分。

流式细胞仪通过接收激光照射液流内细胞后的散射光信号和荧光信号反映细胞的物理化学特征,如细胞的大小、颗粒度和抗原分子的表达情况等。

流式细胞仪的出现和流式细胞术的发展是多学科领域共同发展的结晶,其中涉及细胞与分子生物学和生物技术、单克隆抗体技术、激光技术、荧光化学、光电子物理、流体力学、计算机技术等。

    流式细胞术主要应用于生命科学的基础研究,尤其是免疫学、细胞生物学和分子生物学。

80年代后期开始应用于临床,应用流式细胞术测定外周血CD4 T细胞的数量能用于监测HIV感染者疾病的进展,开启了流式细胞术应用于临床的新纪元。随后,利用流式分选干细胞过继回输用于疾病的治疗,进一步拓展了流式细胞术的临床应用。

现在,流式细胞术还能辅助多种疾病的诊断,尤其是白血病的诊断和分型。     ?1.1??流式细胞术基本概念     1.

原理     特定波长的激光束直接照射到高压驱动的液流内的细胞,产生的光信号被多个接收器接收,一个是在激光束直线方向上接收到的散射光信号(前向角散射),其他是在激光束垂直方向上接收到的光信号,包括散射光信号(侧向角散射)和荧光信号。

液流中悬浮的直径从0.2~150μm的细胞或颗粒能够使激光束发生散射,细胞上结合的荧光素被激光激发后能够发射荧光。

散射光信号和荧光信号被相应的接收器接收,根据接收到的信号的强弱波动就能反映出每个细胞的物理化学特征。     2. 流式细胞术的三大要素     流式细胞术有三大要素,分别为流式细胞仪、样品细胞和荧光染料或者荧光素偶联抗体。

流式细胞术是在流式细胞仪上操作的,流式细胞仪根据其功能的不同可以分为分析型流式细胞仪和分选型流式细胞仪,前者只能流式分析,不能分选纯化目标细胞,后者能够同时进行流式分析和流式分选。

    流式细胞术检测的对象是细胞,而且是呈独立状态的悬浮于液体中的细胞,即单细胞悬液。

流式细胞术不能直接检测组织块中的细胞,要检测脏器或组织中的细胞,必须先用各种方法将脏器或组织制备成单细胞悬液,然后标记上荧光素偶联抗体,才能被流式细胞仪检测。流式细胞术不能直接检测分子,但是用人工合成的颗粒代替细胞,然后将该分子的抗体与人工颗粒结合,可以间接检测分子,如用CBA法检测细胞因子等。

    流式细胞术可以定量检测样品细胞的物理化学特征,其定量是以光信号为基础的,通过分析接收到的激光照射到细胞后的散射光信号和荧光信号完成定量分析。

样品细胞只有标记荧光染料或者荧光素偶联抗体进而被特定波长的激光照射后才能发射特定波长的荧光信号,从而得到样品细胞表达某抗原分子强弱情况等化学特征,否则只能通过分析散射光信号得到样品细胞体积大小和颗粒度等物理特征。

    3. 光指示系统     流式细胞术是一种定量技术,任何一种定量技术都有其指示系统,流式细胞术的指示系统是光信号,流式细胞术通过检测细胞经激光照射后收集到的光信号间接反映细胞的物理化学特征。

接收到的光信号主要有散射光信号和荧光信号两种,散射光信号是激光照射到细胞后发生散射形成的,散射光的波长与激光的波长相同;荧光信号是细胞上结合的荧光素被激光激发后产生的,一般荧光信号的波长要长于激发它的激光的波长,流式细胞仪通过光路系统将荧光信号根据波长的不同分成不同的部分,不同波长的荧光分别进入各自的接收器被流式细胞仪接收和分析。

流式细胞术通过分析散射光信号来反映细胞大小和颗粒度等物理特征;通过分析荧光信号来反映细胞表达抗原、合成细胞因子等化学特征。

    4. 群体信息     流式细胞术关注的是细胞的群体信息,如有多少比例的细胞表达某重要的抗原分子或者合成某重要的细胞因子等,而并非关注其中某一个细胞的特性。

所以,流式细胞术得到的经常是一个比例值(如阳性比例),或者平均荧光强度等群体信息。

    5. FACS     荧光驱动的细胞分选(fluorescence-activated cell sorting,FACS)最初于1972年提出,指的是荧光驱动的细胞分选的新技术。

FACS后来被BD公司(第一个将流式细胞仪商业化的公司)注册为商标,用于标识与流式细胞术相关的设备和试剂。现在,FACS已经被广泛接受,其含义也已经发生了变化,目前FACS通常指流式细胞仪和流式细胞术。

    6. Hi-D FACS     高维流式细胞术(high-dimensional FACS,Hi-D FACS)是指多参数同时使用的流式细胞术。

最初的流式细胞仪只配备有1个激光器,只能使用2个参数,一个是散射光信号,一个是荧光信号。随着流式细胞仪的快速发展,激光器数目、可分析的参数或荧光通道数目也随之增加,从目前普遍使用的2个激光器(488nm和635nm激光器)、4色荧光(FITC、PE、PerCP和APC)以及前向角散射和侧向角散射的6参数分析,发展到4个激光器、16色荧光18参数同时分析。

Hi-D FACS就是指可同时进行4色、6参数以上分析的流式细胞术,多用于细胞亚群的精确界定与分析,如对人外周血T细胞和B细胞亚群的精确界定。

    Hi-D FACS最大的优点是能提供细胞表面多种抗原分子的相互关系图,从而更加精确地界定一种细胞亚群,发现不同细胞亚群之间的表型差异等。 而且,Hi-D FACS可以同时测定胞内的细胞因子合成、激酶的激活、代谢物质的变化等多种信息,进一步从功能上研究不同的细胞亚群。

但Hi-D FACS同时检测的荧光通道数较多,需准确调节各通道之间的补偿,对技术要求更高;由于其中所含的信息量非常大,错误信息掺杂的概率也相应增加,所以数据分析时需格外注意,下结论时需非常慎重,一般需采用不同的标记方案多次互相印证才能得出重要结论。

    7.

FACS与单克隆抗体技术     1975年Kohler和Milstein创建的杂交瘤技术和由此发展起来的单克隆抗体技术促进了FACS的发展和广泛应用。

杂交瘤能够产生几乎所有的单克隆抗体,每一种单克隆抗体都能与相应抗原特异性结合,而且单克隆抗体与各种荧光素的偶联方法比较简便,从而在理论上可提供几乎所有的、用于FACS的荧光素偶联单克隆抗体。

目前已有几百种商品化的荧光素偶联单克隆抗体用于FACS的基础研究和临床应用。     单克隆抗体技术促进了FACS的发展,FACS反过来也促进了单克隆抗体技术的发展。

单纯细胞融合法产生的杂交瘤细胞中含有大量无抗体分泌能力的细胞,常规培养很难从中得到纯的分泌单克隆抗体的杂交瘤细胞,而联合利用FACS可进一步分选出其中分泌单克隆抗体的杂交瘤细胞,然后克隆扩增。

事实上,很多杂交瘤克隆就是通过这种方法被挽救得到的,所以,FACS和单克隆抗体技术可相互促进,共同发展。     8. Logicle数据形式     Logicle数据形式又称为双向指数(bi-exponential)数据形式,是一种新的流式图数轴的数据表示形式,是在经典的对数(logarithmic)数据表示形式基础上发展而来的。

Logicle数据是将检测到的荧光信号值减去非特异性荧光信号值,然后以对数形式显示。经典的对数值都是正数,但Logicle数据可能是零或者负数,所以其流式图数轴的起点不是零,而是负数。

Logicle数据形式有利于验证荧光通道之间的补偿是否调节得当,补偿调节得当时,阴性细胞群的平均荧光值为零,细胞平均分布于零值线的两侧,基本呈对称分布;如果阴性细胞多数位于零值线以上,说明补偿调节不够;相反如果阴性细胞多数位于零值线以下,说明补偿调节过度。

    ?1.2??分析型流式细胞仪介绍     流式细胞仪根据其功能主要分为分析型流式细胞仪和分选型流式细胞仪两种,分析型流式细胞仪只能用于流式分析,细胞样品经流式细胞仪的液流系统被仪器分析后最终进入废液桶,不能回收利用。

本节将简要介绍几款分析型流式细胞仪。

    1. FACSCount流式细胞仪     FACSCount是一种经济普及型小型流式细胞仪(图1-1),专门用于临床监测HIV感染者的病情。

它能够精确计数患者外周血中总T细胞、CD4 T细胞和CD8 T细胞的绝对数量,其中的CD4 T细胞绝对计数能力价值最高,因为患者外周血中的CD4 T细胞绝对数量与HIV感染者病程进展密切相关,是临床上指导患者用药的重要指标。

         图1-1?FACSCount流式细胞仪     FACSCount流式细胞仪系统安装简便,一体式设计,无需外源计算机,操作简单无需特殊培训,自动软件实现样品获取、结果分析和打印的全程自动化。

而且,荧光素偶联抗体保存于密封管中,直接加入全血孵育、固定就可上机检测,无需常规的溶血、离心和洗涤等处理,大幅度缩短操作时间,并能避免人为误差的产生。

    2. FACSCalibur流式细胞仪     FACSCalibur是一种双激光全自动4色台式流式细胞仪(图1-2),通过配备双激光器(488nm蓝激光器和635nm红激光器)实现FITC、PE、PerCP和APC荧光的4色分析,可同时满足临床分析和基础研究的需要。

此款流式细胞仪开机无需等待,暖机5min后即可上样分析,操作简便,自动化程度较高。此流式细胞仪通过双参数阈值设定可减少杂信号,同时增加分析速度,分析速度可达10 000个/s。

另外,检测细胞周期时,可利用DDM系统辨别粘连细胞,减少出现假高倍体结果的概率。          图1-2?FACSCalibur流式细胞仪     3.

LSR II分析型流式细胞仪     LSR II分析型流式细胞仪(图1-3),配置UV激光和数字化的电子系统,可满足多激光器和多荧光通道的需求。

此款流式细胞仪可配备1~4个激光器,包括488nm空冷氩离子激光器、405nm紫色激光器、635nm氦氖激光器和355nm固态紫外激光器,所有激光器都是气冷且带固定校准。

可检测的荧光通道多达10个,包括488nm激光激发的FITC、PE、PerCP和PE-Cy7通道,635nm激光激发的APC和APC-Cy7通道,355nm激光激发的Indo-1和DAPI通道,405nm激光激发的Cascade Blue和Alexa 430通道,最多可进行10色分析。

通过采用光胶耦合石英杯,提高光信号收集效率和仪器的检测信号灵敏度。

LSR II流式细胞仪分析速度可达20 000个/s。          图1-3?LSR II分析型流式细胞仪     4.

Navios和Gallios流式细胞仪     Navios和Gallios流式细胞仪是一种多色分析型流式细胞仪(图1-4)。

两款流式细胞仪在结构和功能上没有太大区别,Navios流式细胞仪主要用于临床诊断,而Gallios流式细胞仪主要用于基础研究。

Navios和Gallios流式细胞仪使用卡槽式激光器,便于激光器的更换,仪器提供3种通道配制,即配备2个激光器的6通道和8通道配制,以及配备3个激光器的10通道配制。此外,仪器采用的18度光学收集系统,可以减少光信号的损失。

              图1-4?Navios和Gallios流式细胞仪     5.

iCyte自动化成像流式细胞仪     iCyte自动化成像流式细胞仪(automated imaging cytometer)是显微成像技术和流式细胞术相结合的产物(图1-5),不仅能够提供整个细胞群的物理化学特征,而且能够对每个检测到的细胞进行成像,如此将个体细胞成像和群体细胞统计相结合,其实已经不是一般意义上的流式细胞仪。

         图1-5?iCyte自动化成像流式细胞仪     iCyte自动化成像流式细胞仪配备有488nm、635nm和405nm 3个激光器,散射光信号不是用于提供常规流式细胞仪的前向角散射和侧向角散射信息,而是用于细胞成像;荧光信号被4个光电倍增管接收,即有4个荧光通道接收相应的荧光信号用于常规的流式分析。

    6. FACSCanto II流式细胞仪     FACSCanto II是一台兼顾科研需求和临床检测的分析型流式细胞仪(图1-6)。

此款流式细胞仪可采用双激光器或者三激光器进行6色或8色分析。仪器使用全反射光路设计,提高了仪器检测的灵敏度和速度,分析速度可达10 000个/s。

荧光间补偿调节较为简单,能够较为准确地进行联机或者脱机模式下的激光内或者激光间的荧光通道补偿调节。          图1-6?FACSCanto II流式细胞仪     FACSCanto II流式细胞仪兼顾了临床检测的需求,可以配备FACSCanto clinical临床软件,该软件可以实现一管式淋巴细胞亚群全套分析,能够进行TBNK和HLA-B27模块的自动设门、结果计算和实验报告的生成等。

    ?1.

3??分选型流式细胞仪介绍     分选型流式细胞仪能够分选回收样品细胞内的目标细胞,用于后续功能实验。分选型流式细胞仪比分析型流式细胞仪多了一个分选系统,它既能用于流式分析,也能用于流式分选。

但是分选型流式细胞仪一般不推荐用于流式分析,因为它的进样管道较长,流式分析所需的时间要明显长于分析型流式细胞仪,而且分选型流式细胞仪一般要求流式管道处于绝对的无菌状态,以保证分选得到的细胞处于无菌状态,所以用分选型流式细胞仪进行流式分析时要求样品细胞处于无菌状态,提高了样品细胞准备的要求,因此,分选型流式细胞仪一般只用于流式分选。

本节将简要介绍几款分选型流式细胞仪。     1. FACSVantage SE流式细胞仪     FACSVantage SE是一种分选型流式细胞仪(图1-7)。

此款流式细胞仪最多可配备3个激光器同时进行6色8参数分析。仪器准确分析速度为20 000个/s,最大分析速度为60 000个/s,标准分选速度为10 000个/s。

FACS Diva使FACSVantage SE成为数字化流式细胞仪,QuadraSort功能实现4路分选,AutoSort液滴延迟自动计算功能简化了分选设定过程。但是,此款流式细胞仪开机调试较为复杂,分选速度相对较低,基本已被更加先进的分选型流式细胞仪取代。

         图1-7?FACSVantage SE流式细胞仪     2.

FACSAria III流式细胞仪     FACSAria III是一种高速台式分选型流式细胞仪 (图1-8)。

此款流式细胞仪使用石英杯流动池固定校准,实现了固定光路系统,不需要用户在分选前对光路调整优化,因此对操作者的技术要求不高。FACSAria III流式细胞仪分析速度可以达到100 000个/s,分选速度可以达到70 000个/s。

         图1-8?FACSAria III流式细胞仪     FACSAria III流式细胞仪可配备488nm、633nm和407nm三个激光器,488nm激光激发的信号采用新的八角形荧光信号接收器,可检测7个荧光信号;633nm和407nm激光激发的信号采用新的三角形荧光信号接收器,分别可检测3个荧光信号,因此加上2个散射光信号,总共可以检测15个参数信号。

    3.

Influx流式细胞仪     Influx流式细胞仪提供了一个可灵活配置的开放式细胞分选平台(图1-9)。此款流式细胞仪采用模块化设计,可以根据研究人员的实验要求进行仪器优化,可以适当扩大其应用范围。

Influx流式细胞仪可配置1~5个激光器,最多可进行16色18参数分析,分析速度可达200 000个/s。仪器采用新的喷嘴设计,可在低鞘液压力下形成高频液滴,有利于细胞活力的保持。

仪器可配置HEPA过滤仓和分选仓气溶胶控制系统,分选仓配置有紫外杀菌灯,有利于实现流式分选的无菌环境。仪器还可选配偏振模块,可检测散射光和荧光信号的偏振现象,从而有利于检测特殊生物体。

         图1-9?Influx流式细胞仪     4.

MoFlo XDP流式细胞仪     MoFlo XDP流式细胞仪(图1-10),其分析速度可达100 000个/s,分选速度可达80 000个/s。

仪器可以实现分选速度与分选纯度分离,在高速分选时也可以得到较高纯度的目标细胞。仪器配置两台高精度数字化处理器,一个用于收集、分析数据和操作控制,另一个用于处理和分析荧光和电子信号,有利于提高仪器的信号接收和信息处理的能力。

              图1-10?MoFlo XDP流式细胞仪     仪器可选配488nm、635nm、405nm、532nm、561nm、355nm和457nm 7种激光器,可实现多色多参数同时分析和分选。

仪器提供50μm、70μm、80μm、90μm、100μm、120μm、150μm和200μm 8种规格的喷嘴,可满足各种生物学样品分析和分选需求,分析和分选的范围更广。仪器采用触摸式控制屏和Smartsampler智能化全自动进样装置,适当简化了操作步骤,Intellisort模块可以帮助使用者监控分选过程。

另外,仪器实现了混合式分选模式,在同一次分选中可以对不同的目标细胞采用不同的分选模式。     参考文献     Bonner WA, Hulett HR, Sweet RG, et al.

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