高内涵细胞成像与分析系统助力微纳米材料在生物医学领域的研究

微纳米材料在生物医学领域的设计和使用一直受到研究者的广泛关注。赋予微纳米材料新颖的结构与功能，使其具有良好的生物安全性和生物相容性已经成为现在微纳米生物材料的重要发展方向。现今，微纳米材料的研究横跨包括药物载体设计、基因治疗、疫苗开发、临床前诊断、组织工程、器官移植以及高通量筛选等诸多领域。

高内涵细胞成像分析系统作为细胞学水平的重要研究工具，贯穿微纳米细胞表征的诸多环节，在单一实验中可以同步表征细胞对微纳米材料的摄取、靶蛋白表达强度差异以及细胞与亚细胞结构的相关表型，基于图像获取客观可靠的统计分析结果，具体应用实例如下：

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微纳米材料的细胞摄取

由于微纳米材料的多样性导致不同材料具有不同的理化性质，这些性质会直接或间接影响微纳米材料与细胞之间的相互作用。实验中通过尺寸、组成和表面物理化学性质的调控可以调节细胞对不同材料的摄取情况，通常微纳米材料通过巨胞饮或者受体介导的内吞途径被目标细胞摄取，并进一步发挥功能。如图1所示，研究团队设计了一种可以靶向巨噬细胞的金属有机框架纳米药物Que@MOF/Man，通过Ce6标记后可以通过高内涵细胞成像系统和流式细胞仪检测不同细胞对纳米药物的吞噬能力。实验结果表明，修饰甘露糖（Man）的纳米药物可以特异的被巨噬细胞选择性摄取，相比心肌细胞摄取率有30倍的提升。

图1：Ce6@MOF/Man的体外靶向能力和巨噬细胞特异性细胞摄取

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细胞运动能力评估

工程化的微纳米材料由于尺寸、形状、表面电荷、官能团等内在的物理化学性质对各种生物都有一定的毒性，需要进行生物相容性的评估。不但安全性的评价得到深入广泛的研究，降低或者消除使用过程的副作用也成为重要的研究方向之一。

高内涵的无标记分析模块可以进行长时间动态观察，通过Harmony软件追踪微纳米材料和细胞共培养后细胞的运动轨迹，获得单细胞的位移参数，比较不同实验组的增殖迁移情况。如图2所示，三联吡啶（tPy）修饰Cy7杂环氮原子的分子（CydtPy）与金属离子螯合可实现光物理性质的调控，在与Fe2+螯合时可以引发细胞内芬顿反应的发生，从而实现CDT/PTT的协同治疗效果，通过高内涵的无标记模式可以进行细胞的长时间追踪，从而评价肿瘤细胞在不同处理下的运动能力，实验结果表明光热结合化学动力疗法可以有效抑制肿瘤细胞的迁移。

图2：LET-11-Fe对细胞迁移的影响

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细胞表型变化研究

细胞表型是涉及基因和蛋白表达的多个细胞过程的集合体，这些过程导致细胞特定的形态和功能改变。微纳米颗粒被细胞摄取后会引起细胞表型发生变化，例如形态，周期，增殖，凋亡，迁移，自噬等。配合不同染色方案进行高内涵细胞成像，可在单细胞水平进行差异化分析，得到多参数的统计结果。利用高内涵细胞成像进行细胞免疫荧光拍摄和荧光定量分析是微纳米材料引起细胞表型改变的重要评价手段，如图3-4所示。

图3：不同浓度的rHAP调控rBMMSCs的成骨和巨噬细胞的极化

图4：不同处理下A375细胞anti-α-tubulin(绿色)和anti-HIF-1α(红色)的免疫荧光图像及定量强度分析

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纳米颗粒的渗透表征

评价纳米颗粒浸润组织微环境的能力，研究人员可以首先构建3D微组织模型，再将荧光标记的微纳米材料与3D微组织共培养一定时间，配合高内涵细胞成像系统进行层扫完成图像的拍摄。基于拍摄图像可以通过Harmony软件对微组织的最大亮度投影进行区域划分，针对3D微组织中心区域进行荧光定量分析，从而比较不同纳米颗粒的渗透能力，如图5所示。

图5：声波促进纳米颗粒浸润微组织内部

高内涵细胞成像与分析系统（HCS，High-content screening）是指在保持细胞结构和功能完整性的前提下，通过自动化细胞成像分析的方法，对多孔板的每一个孔的目的细胞进行单细胞水平的状态、变化等多参数的、总体趋势的分析。在单一实验中同步获取细胞内靶蛋白的空间/时间分布、表达强度、细胞与细胞器的形态和复杂表型、多种细胞亚群的分类等方面的高可靠性的具有统计学意义的分析结果，同时去除其它细胞与人为误差的干扰。HCS的结果由图像分析所得，兼顾了直观与批量统计定量的优点，同时输出单细胞和群体细胞的结果。

参考文献

1. Hu, Danrong, et al. "Inflammation‐Targeted Nanomedicines Alleviate Oxidative Stress and Reprogram Macrophages Polarization for Myocardial Infarction Treatment." Advanced Science (2024): 2308910.

2. Zhu, Junfei, et al. "Terpyridine-grafted nitrogen-terminal endowing cyanine with metal-ion-regulated photophysical properties for cancer theranostics." Research 6 (2023): 0061.