關于Celloger Nano實時活細胞成像儀的技術解析

副標題： 全自動、長時程、高內涵的智能化活細胞研究平臺

發布日期： 2024年1月22日
作者： 森德儀器 應用技術部
儀器類別： 生命科學儀器 / 細胞分析設備
閱讀時間： 約7分鐘
關鍵詞： 活細胞成像、實時成像、長時程培養、高內涵分析、細胞動力學、藥物篩選、細胞治療、森德儀器

摘要
本文全面介紹Celloger Nano全自動實時活細胞成像分析系統的核心技術、功能特點與前沿應用。該系統集成了穩定精準的細胞培養環境控制、高對比度無標記成像技術和智能化圖像分析軟件，致力于在不干擾細胞自然狀態的前提下，實現從數小時到數周的長時間、動態、定量化觀測。文章將深入解析其自動對焦與多點位追蹤、低光毒性照明以及多維數據管理功能，并重點展示其在細胞增殖、凋亡、遷移、侵襲、干細胞分化、藥物作用機理及細胞治療產品質控等領域的創新研究解決方案。

一、產品概述與核心定位

Celloger Nano是專為現代細胞生物學、藥物研發及細胞治療領域設計的智能化實時活細胞成像與分析系統。其核心定位是成為實驗室中 “不間斷的細胞行為觀察者" ，旨在替代傳統終點法或手動取樣觀察，提供連續、動態、可量化的活細胞過程數據，揭示傳統方法無法捕捉的細胞事件細節。

核心設計理念：

• 全程自動化，解放人力： 整合自動對焦、自動載物臺、自動環境控制，實現無人值守的長期連續成像，確保數據一致性，極大提升實驗效率。

• 生理環境模擬，保證活性： 精確控制培養箱內的溫度、CO?濃度和濕度，為細胞提供接近體內的生長環境，確保長時間實驗過程中細胞的健康狀態。

• 低光毒性與高對比度成像： 采用優化的LED光源與光學設計，在保證高質量圖像的同時，大限度降低光照對細胞的損傷（光毒性），實現真正的非侵入性觀察。

• 智能化分析與量化輸出： 強大的分析軟件不僅能采集圖像，更能自動識別、跟蹤單個或多個細胞，并輸出增殖率、遷移速度、形態變化等數十種定量參數。

二、核心技術特點與性能解析

2.1 全自動、高穩定的成像與培養系統

• 一體化智能培養與成像艙： 將高精度顯微鏡與小型化培養箱集成，溫度控制精度達±0.2°C，CO?控制精度達±0.1%，濕度維持>90%，為細胞提供數天至數周的穩定生長環境。

• 高精度自動對焦與多點位追蹤： 采用激光自動對焦或軟件對比度對焦技術，在長時間實驗中自動補償漂移，確保每個時間點的圖像都清晰準確。支持預定義多個視野（XY點位）和時間序列（T點位），實現高通量并行監測。

• 高效靈活的物鏡與濾光片系統： 通常配備4倍、10倍、20倍長工作距平場消色差物鏡，滿足從群體統計到單細胞細節的不同觀測需求。集成多通道熒光濾光塊組（如GFP， RFP， DAPI）和明場/相差成像功能。

2.2 低光毒性、高靈敏度成像技術

• 高均勻性LED光源： 為熒光和明場成像提供穩定、可控的照明。LED光源壽命長、發熱量低，有助于維持培養環境穩定，并顯著降低傳統汞燈或鹵素燈帶來的強光毒性。

• 高靈敏度科學級CMOS相機： 具有高量子效率、低讀出噪聲和高動態范圍，能夠在低曝光條件下捕獲清晰的弱熒光信號，進一步減少光照對細胞的刺激。

• 優化的相差成像技術： 無需染色即可獲得高對比度的細胞形態圖像，是觀察細胞鋪展、分裂、遷移等動態過程的理想無標記方法。

2.3 智能化圖像獲取與分析軟件

• 直觀的定時攝影與實驗設計： 用戶可輕松設置成像間隔（從數秒到數小時）、總時長、曝光參數和多點位順序，創建復雜的長時間實驗協議。

• 強大的細胞追蹤與定量分析模塊：

• 細胞增殖與匯合度分析： 自動計算指定區域內細胞的覆蓋面積百分比（匯合度），生成生長曲線。

• 細胞遷移與追蹤： 自動識別并追蹤單個或群體細胞的運動軌跡，計算遷移速度、方向性和位移等參數。

• 細胞形態學分析： 定量分析細胞的面積、周長、長寬比、圓度等形態特征變化。

• 熒光強度定量： 對熒光標記的細胞或亞細胞結構進行熒光強度定量，監測蛋白表達、鈣離子波動等。

• 數據可視化與管理： 可將時間序列圖像合成為動態視頻，直觀展示細胞行為；所有原始圖像與分析數據集中管理，便于回溯與分享。

三、應用場景與解決方案

Celloger Nano廣泛應用于需要動態觀測細胞行為的研究與開發領域。

3.1 主要應用領域

• 細胞生物學基礎研究

• 應用場景： 細胞周期進程、有絲分裂、細胞凋亡與壞死、細胞自噬、細胞粘附與鋪展、細胞間相互作用。

• 解決方案： 長時程成像直接觀察細胞分裂次數與命運；通過形態變化（如皺縮、出泡）區分凋亡與壞死；追蹤細胞與基質的相互作用。

• 藥物發現與毒理學研究

• 應用場景： 化合物或生物藥對細胞增殖的抑制/促進作用、細胞毒性評估（實時IC50測定）、藥物對細胞遷移/侵襲的影響、心臟安全性評估（如心肌細胞搏動分析）。

• 解決方案： 實時監測給藥后細胞形態、數量、活性的動態變化，獲得更精準的藥效與毒性動力學數據，優于終點法。

• 癌癥研究

• 應用場景： 腫瘤細胞遷移與侵襲、血管生成（內皮細胞管腔形成）、腫瘤球（3D細胞球）生長與藥物滲透。

• 解決方案： 在模擬體內環境的基質膠中追蹤癌細胞的遷移過程；長時間觀測內皮細胞網絡的形成與穩定。

• 干細胞與再生醫學

• 應用場景： 干細胞增殖、克隆形成、定向分化過程監測（如向神經元、脂肪細胞、成骨細胞分化）。

• 解決方案： 無干擾地觀察干細胞集落的形成與擴增；通過形態變化早期判斷分化趨勢。

• 細胞治療產品開發與質控

• 應用場景： 免疫細胞（如CAR-T， NK細胞）的擴增動力學、對腫瘤細胞的殺傷動力學、細胞活力長期監測。

• 解決方案： 在符合GMP要求的數據完整性框架下，定量評估治療用細胞的增殖能力與殺傷活性，為工藝優化和放行檢驗提供關鍵數據。

3.2 典型案例分析

• 案例：抗腫瘤藥物對癌細胞遷移抑制作用的實時評估

• 挑戰： 傳統Transwell或傷口愈合劃痕實驗只能提供終點數據，無法反映藥物作用下細胞遷移行為的動態變化過程，且操作人為誤差大。

• 解決方案： 將腫瘤細胞接種在培養板中，使用Celloger Nano進行連續成像（如每15分鐘一幀，持續24-48小時）。在細胞開始遷移后加入不同濃度藥物。軟件自動追蹤多個視野中細胞的運動軌跡。

• 成效： 獲得了細胞遷移速度、方向持久性隨時間變化的完整曲線。不僅定量比較了不同藥物濃度的最終抑制效果，觀察到藥物在作用2小時后即開始改變細胞的運動模式，而總位移的顯著差異在8小時后才顯現。這為理解藥物的早期作用機制提供了全新視角。

四、操作、維護與注意事項

4.1 標準操作流程簡述

1. 系統準備： 開啟系統，預穩定培養環境（溫度、CO?），在軟件中設置實驗名稱和參數。

2. 樣品準備與放置： 將接種了細胞的培養皿/板從傳統培養箱中取出，快速放入Celloger Nano的成像載物臺上。

3. 實驗設置： 選擇物鏡，對焦，定義需要采集的多個XY視野；設置成像通道（明場/熒光）、曝光時間、采集間隔和總時長。

4. 啟動實驗： 保存設置，開始自動成像。期間可遠程監控預覽圖像。

5. 數據分析： 實驗結束后，使用分析軟件進行細胞追蹤、計數、熒光定量等處理，導出數據和視頻。

4.2 日常維護要點

• 每次使用后： 清潔載物臺和物鏡前鏡頭（如有污染），用軟布擦拭儀器外殼。

• 定期： 檢查CO?氣瓶壓力，更換水箱中的無菌水（用于加濕），根據使用情況校準對焦系統。

• 光學部件： 保持光學清潔，避免灰塵污染。

• 軟件： 定期備份實驗數據和項目文件。

4.3 關鍵注意事項

• 細胞狀態是關鍵： 起始細胞狀態必須健康，接種密度需根據實驗目的（如增殖、遷移）進行優化。

• 培養皿兼容性： 確保使用的培養皿底部光學質量良好（如玻璃底或專用塑料底），厚度符合要求，以保證成像質量。

• 熒光染料選擇： 進行長時間熒光成像時，應選擇光穩定性好、毒性低的染料（如某些活細胞染料），并盡量降低曝光強度和頻率。

• 對照設置： 必須設置未處理的對照組，以區分正常細胞行為變化與處理因素引起的效應。

• 數據解讀： 動態數據信息量巨大，需結合生物學知識進行審慎解讀，注意區分真實的生物學現象與可能的光漂白、焦點漂移等技術假象。

五、附錄與參考資料

相關標準與指南

該系統的應用與數據分析可參考以下新國際指南與共識：

• ISO 20391-2:2019《Biotechnology — Cell counting — Part 2: Experimental design and statistical analysis to quantify counting method performance》：細胞計數相關實驗設計與統計分析的通用指南，對基于圖像分析的細胞增殖實驗有重要參考價值。

• MIQE Guidelines (Minimum Information for Publication of Quantitative Real-Time PCR Experiments) 及其衍生思想：雖然針對qPCR，但其強調實驗細節透明、數據可重現的理念，適用于需要發表活細胞成像定量數據的研究。

• 《細胞遷移檢測專家共識》：國內相關領域專家發布的指導性文件，對遷移實驗的設計、執行和數據分析提供規范建議。

• ICH S7B《The Nonclinical Evaluation of the Potential for Delayed Ventricular Repolarization (QT Interval Prolongation) by Human Pharmaceuticals》：藥物心臟安全性評價的國際指南，其中體外心肌細胞 assays 可借助活細胞成像技術實現。

• ISCT（國際細胞治療學會）發布的相關指南：對于細胞治療產品的體外功能學檢測（如增殖、殺傷），活細胞成像可作為符合指南精神的重要技術手段。

六、文章信息

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