清華新聞網(wǎng)7月4日電 單細(xì)胞研究對(duì)理解生命過(guò)程和推動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)發(fā)展至關(guān)重要。成像流式細(xì)胞技術(shù)（IFC）作為大規(guī)模單細(xì)胞分析的重要工具雖然應(yīng)用廣泛，但傳統(tǒng)IFC依賴(lài)熒光標(biāo)記存在諸多局限，而定量相位顯微成像術(shù)（QPM）作為無(wú)標(biāo)記光學(xué)成像技術(shù)具備非侵入性等優(yōu)勢(shì)，是理想分析途徑。然而，QPM與IFC結(jié)合面臨高速流動(dòng)時(shí)細(xì)胞易離焦，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)模糊或形變失真的問(wèn)題，難以獲得精確單細(xì)胞定量相位圖像。
現(xiàn)有方案中，直接整合商用流式細(xì)胞儀的系統(tǒng)龐大復(fù)雜；基于微流控的流式細(xì)胞技術(shù)雖緊湊，但聚焦方法有局限。數(shù)字重聚焦算法可定位不同深度細(xì)胞，但計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)大、耗時(shí)長(zhǎng)。此外，高維QPM特征空間帶來(lái)計(jì)算負(fù)擔(dān)、特征冗余、過(guò)擬合風(fēng)險(xiǎn)，且大規(guī)模高度異質(zhì)細(xì)胞群體分類(lèi)研究匱乏，制約技術(shù)實(shí)用化。因此，亟需開(kāi)發(fā)能精準(zhǔn)三維細(xì)胞定位、高速高質(zhì)量成像并有效處理高維特征實(shí)現(xiàn)精確分類(lèi)的集成平臺(tái)。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授譚英與副研究員蘇萍團(tuán)隊(duì)合作，創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)了一種空間微流控全息集成（Spatial Microfluidic Holographic Integrated, SMHI）平臺(tái)。該平臺(tái)巧妙地將緊湊型數(shù)字全息顯微成像技術(shù)（Digital holographic microscopy，DHM）與空間流體動(dòng)力學(xué)聚焦微流控技術(shù)相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)了無(wú)需數(shù)字重聚焦的快速、高保真單細(xì)胞無(wú)標(biāo)記定量相位成像。
研究的關(guān)鍵突破在于，通過(guò)精密調(diào)控鞘流與樣本流的流速比，該平臺(tái)能在微通道檢測(cè)區(qū)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同性質(zhì)、尺寸細(xì)胞/微粒的三維（垂直與水平方向）精準(zhǔn)定位，將其嚴(yán)格限定于DHM的清晰成像焦平面，從根本上消除了離焦模糊，顯著提升了成像質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)表明，該平臺(tái)單細(xì)胞全息圖定量相位重建時(shí)間僅需0.34秒，為典型流程（約7.71秒）的4.41%，并具有優(yōu)異的振幅/相位測(cè)量一致性（CV＜4%）和系統(tǒng)時(shí)空噪聲穩(wěn)定性（空間噪聲偏差0.035 rad，時(shí)間噪聲偏差0.007 rad）。
SMHI平臺(tái)的總體原理和工作流程
研究人員進(jìn)一步構(gòu)建了包含81個(gè)形態(tài)與紋理特征的多層級(jí)、高維度QPM相位特征數(shù)據(jù)集，并應(yīng)用了最大相關(guān)最小冗余增量特征選擇（MRMR-IFS）策略。該策略有效解決了高維特征冗余問(wèn)題，智能篩選出最優(yōu)特征組合，最終成功建立了高精度的機(jī)器學(xué)習(xí)分類(lèi)模型。在多種高度異質(zhì)性細(xì)胞群體的無(wú)標(biāo)記分析中，該平臺(tái)展現(xiàn)出卓越性能：對(duì)五種高發(fā)癌種細(xì)胞和七種乳腺癌亞型細(xì)胞的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率均超過(guò)99.9%。此外，在模擬含稀有腫瘤細(xì)胞的人血樣本（混合PBMC和腫瘤細(xì)胞）的檢測(cè)中，該系統(tǒng)能有效區(qū)分并計(jì)數(shù)腫瘤細(xì)胞，證明了其泛化能力和實(shí)際應(yīng)用潛力。
上述結(jié)果標(biāo)志著研究人員在無(wú)標(biāo)記、高通量、高精度單細(xì)胞分析，特別是分析癌細(xì)胞異質(zhì)性難題方面取得重要進(jìn)展。相較于現(xiàn)有先進(jìn)QPM-IFC系統(tǒng)，SMHI平臺(tái)在系統(tǒng)穩(wěn)定性、設(shè)備成本、計(jì)算成本、預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和泛化能力方面具有顯著綜合優(yōu)勢(shì)。其設(shè)計(jì)理念和優(yōu)異性能為癌癥早期診斷、液體活檢、藥物篩選及免疫監(jiān)控等臨床和生物醫(yī)學(xué)研究提供強(qiáng)有力的創(chuàng)新工具，有望推動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)療的發(fā)展。
相關(guān)研究成果以“空間微流控全息集成平臺(tái)用于癌癥異質(zhì)性的無(wú)標(biāo)記高維分析”（Spatial microfluidic holographic integrated platform for label-free and high-dimensional analysis of cancer heterogeneity）為題，于7月1日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2022級(jí)碩士生施佳依為論文第一作者，譚英和蘇萍為論文通訊作者。論文合作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副研究員高丹、馬建設(shè)等。研究得到廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目和科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-60897-w
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
