為了實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療的潛力并克服最近頻繁發(fā)生的大流行性疾病等危機(jī)情況，實(shí)驗(yàn)室需要一種有效的方法來(lái)分離活細(xì)胞進(jìn)行分析和測(cè)試——在不損害細(xì)胞活力的情況下分離特定細(xì)胞類(lèi)型的能力對(duì)推進(jìn)藥物研究也是必要的。
為了滿(mǎn)足這一需求，據(jù)激光制造網(wǎng)了解，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究院（Fraunhofer ILT）和生產(chǎn)技術(shù)研究所（IPT）將于4月9-12日在慕尼黑舉行的2024年分析會(huì)上展示LIFTOSCOPE設(shè)備。該設(shè)備顯示，該研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了一種人工智能輔助工具，該工具使用高通量流程自動(dòng)對(duì)活細(xì)胞進(jìn)行分類(lèi)和分離。這項(xiàng)被稱(chēng)為L(zhǎng)IFTOSCOPE的技術(shù)結(jié)合了高速顯微鏡基于人工智能的分析，以及利用激光誘導(dǎo)正向傳輸（LIFT）定位活細(xì)胞和細(xì)胞簇。
MIR LIFT過(guò)程以高達(dá)100 Hz的頻率將活細(xì)胞一個(gè)接一個(gè)地轉(zhuǎn)移到測(cè)微板上。為了將高效工藝集成到顯微鏡平臺(tái)中，無(wú)論制造商是誰(shuí)，F(xiàn)raunhofer ILT開(kāi)發(fā)了支架（如圖所示）用于六孔微量滴定板。（Fraunhofer ILT供圖）。
LIFTOSCOPE每秒可以定位、識(shí)別和分析數(shù)十個(gè)活細(xì)胞。它可以在200μs內(nèi)完成單個(gè)細(xì)胞的轉(zhuǎn)移，并且可以在100 s內(nèi)激活10000個(gè)細(xì)胞并將其轉(zhuǎn)移到微量滴定板。
為了創(chuàng)建LIFTOSCOPE，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將人工智能輔助的高通量過(guò)程集成到商用倒置顯微鏡中，并為顯微鏡配備高速攝像頭和閃光燈。它將細(xì)胞轉(zhuǎn)移的中紅外（MIR）LIFT過(guò)程直接集成到顯微鏡的光束路徑中。
與顯微鏡相連的攝像系統(tǒng)每秒可提供100幅高分辨率圖像。人工智能技術(shù)識(shí)別圖像數(shù)據(jù)中所需的細(xì)胞類(lèi)型，還決定細(xì)胞的準(zhǔn)確位置和重心。人工智能系統(tǒng)可以被訓(xùn)練來(lái)識(shí)別多能干細(xì)胞、高產(chǎn)細(xì)胞和免疫細(xì)胞。
在對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分類(lèi)和分析后，使用MIR LIFT過(guò)程將其轉(zhuǎn)移到微量滴定板。LIFTOSCOPE中使用的高精度、光學(xué)監(jiān)控、基于激光的過(guò)程使其能夠精確控制和傳輸細(xì)胞。轉(zhuǎn)移細(xì)胞的存活率超過(guò)90%。Fraunhofer ILT生物制造小組負(fù)責(zé)人Nadine Nottrodt說(shuō)：“根據(jù)細(xì)胞類(lèi)型，所有細(xì)胞中有100%能夠存活下來(lái)。”
細(xì)胞以高達(dá)100赫茲（Hz）的高頻率傳輸。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的一個(gè)六孔微量滴定板支架，可以更容易地將該技術(shù)集成到任何顯微鏡平臺(tái)中，無(wú)論制造商是誰(shuí)。
研究人員說(shuō)，LIFT過(guò)程快速簡(jiǎn)單。LIFT使用只需要幾微焦耳（μJ）脈沖能量的9-ns激光脈沖，刺激位于目標(biāo)細(xì)胞正下方的液體介質(zhì)形成蒸汽泡。此前已脫離束縛的電池被泡沫短暫掀起。一旦氣泡破裂，就會(huì)形成抽吸，將細(xì)胞沖洗到微量滴定板的培養(yǎng)容器中。
項(xiàng)目經(jīng)理Richard Lensing說(shuō)：“細(xì)胞隨機(jī)分布在樣品中。因此，我們的系統(tǒng)遵循預(yù)先定義的網(wǎng)格，并傳輸距離焦點(diǎn)50微米半徑內(nèi)的細(xì)胞。”。
雖然熒光標(biāo)記物可以用來(lái)識(shí)別特定的細(xì)胞，但LIFT過(guò)程即使沒(méi)有添加劑也能很好地執(zhí)行。人工智能技術(shù)提供精確的定位，以確保細(xì)胞被射流捕獲并輸送到測(cè)微計(jì)板中。LIFT過(guò)程使用MIR 2940nm波長(zhǎng)激光器直接激發(fā)液體介質(zhì)。該波長(zhǎng)幾乎不被樣品載體中的聚合物吸收。
肌動(dòng)蛋白染色的3T3成纖維細(xì)胞球體，用于LIFT轉(zhuǎn)移，在激光制造的微孔中培養(yǎng)。（Fraunhofer ILT供圖）。
該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了兩種移動(dòng)細(xì)胞培養(yǎng)物的策略——一種是停下來(lái)的方法，另一種是連續(xù)的過(guò)程。“走走停停”的方法提供了用許多不同的細(xì)胞對(duì)樣品進(jìn)行分類(lèi)的能力，這使得樣品制備更加容易。然而，這也降低了效率。Nadine Nottrodt說(shuō)：“在停轉(zhuǎn)操作中，必須在細(xì)胞LIFT前后插入一個(gè)短暫的休息階段，因?yàn)槊看瓮＾D(zhuǎn)都會(huì)觸發(fā)樣品中的流體動(dòng)力流，在下一個(gè)細(xì)胞被轉(zhuǎn)移之前，流體動(dòng)力流必須先穩(wěn)定下來(lái)。”。
當(dāng)使用連續(xù)過(guò)程時(shí)，LIFTOSCOPE掃描樣本載體，掃描網(wǎng)格最多1600行，間距為50μm，并轉(zhuǎn)移在連續(xù)移動(dòng)過(guò)程中聚焦的每個(gè)細(xì)胞。傳輸?shù)膯卧裨蕉啵褂眠@種方法節(jié)省的時(shí)間就越多。當(dāng)10000個(gè)細(xì)胞被轉(zhuǎn)移時(shí)，連續(xù)過(guò)程的速度是停止和移動(dòng)策略的兩倍多。它可以傳輸10萬(wàn)個(gè)細(xì)胞，比“停-走”操作快20倍。
該團(tuán)隊(duì)旨在穩(wěn)定自動(dòng)細(xì)胞識(shí)別和LIFT過(guò)程的高通量，將完成一個(gè)微量滴定板所需的時(shí)間限制在10分鐘內(nèi)。用于成像和定位加工周期中的激光焦點(diǎn)將確保LIFT過(guò)程具有AI支持的細(xì)胞檢測(cè)和測(cè)量所需的分辨率。這也將確保激光焦點(diǎn)位于電池正下方25μm以?xún)?nèi)。
這種基于人工智能、基于激光的過(guò)程可以完全自動(dòng)化分離活細(xì)胞的任務(wù)。根據(jù)Nottrodt的說(shuō)法，根據(jù)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)取得的進(jìn)展，細(xì)胞LIFT可以與高速相機(jī)的圖像頻率同步，這將實(shí)現(xiàn)每秒100個(gè)細(xì)胞的單細(xì)胞分選率。團(tuán)隊(duì)的下一步將是通過(guò)流程原型實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)成熟度。
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