关于Celloger Nano实时活细胞成像仪的技术解析

关于Celloger Nano实时活细胞成像仪的技术解析

副标题： 全自动、长时程、高内涵的智能化活细胞研究平台

发布日期： 2024年1月22日
作者： 森德仪器 应用技术部
仪器类别： 生命科学仪器 / 细胞分析设备
阅读时间： 约7分钟
关键词： 活细胞成像、实时成像、长时程培养、高内涵分析、细胞动力学、药物筛选、细胞治疗、森德仪器

摘要
本文全面介绍Celloger Nano全自动实时活细胞成像分析系统的核心技术、功能特点与前沿应用。该系统集成了稳定精准的细胞培养环境控制、高对比度无标记成像技术和智能化图像分析软件，致力于在不干扰细胞自然状态的前提下，实现从数小时到数周的长时间、动态、定量化观测。文章将深入解析其自动对焦与多点位追踪、低光毒性照明以及多维数据管理功能，并重点展示其在细胞增殖、凋亡、迁移、侵袭、干细胞分化、药物作用机理及细胞治疗产品质控等领域的创新研究解决方案。

一、产品概述与核心定位

Celloger Nano是专为现代细胞生物学、药物研发及细胞治疗领域设计的智能化实时活细胞成像与分析系统。其核心定位是成为实验室中 “不间断的细胞行为观察者" ，旨在替代传统终点法或手动取样观察，提供连续、动态、可量化的活细胞过程数据，揭示传统方法无法捕捉的细胞事件细节。

核心设计理念：

• 全程自动化，解放人力： 整合自动对焦、自动载物台、自动环境控制，实现无人值守的长期连续成像，确保数据一致性，极大提升实验效率。

• 生理环境模拟，保证活性： 精确控制培养箱内的温度、CO₂浓度和湿度，为细胞提供接近体内的生长环境，确保长时间实验过程中细胞的健康状态。

• 低光毒性与高对比度成像： 采用优化的LED光源与光学设计，在保证高质量图像的同时，大限度降低光照对细胞的损伤（光毒性），实现真正的非侵入性观察。

• 智能化分析与量化输出： 强大的分析软件不仅能采集图像，更能自动识别、跟踪单个或多个细胞，并输出增殖率、迁移速度、形态变化等数十种定量参数。

二、核心技术特点与性能解析

2.1 全自动、高稳定的成像与培养系统

• 一体化智能培养与成像舱： 将高精度显微镜与小型化培养箱集成，温度控制精度达±0.2°C，CO₂控制精度达±0.1%，湿度维持>90%，为细胞提供数天至数周的稳定生长环境。

• 高精度自动对焦与多点位追踪： 采用激光自动对焦或软件对比度对焦技术，在长时间实验中自动补偿漂移，确保每个时间点的图像都清晰准确。支持预定义多个视野（XY点位）和时间序列（T点位），实现高通量并行监测。

• 高效灵活的物镜与滤光片系统： 通常配备4倍、10倍、20倍长工作距平场消色差物镜，满足从群体统计到单细胞细节的不同观测需求。集成多通道荧光滤光块组（如GFP， RFP， DAPI）和明场/相差成像功能。

2.2 低光毒性、高灵敏度成像技术

• 高均匀性LED光源： 为荧光和明场成像提供稳定、可控的照明。LED光源寿命长、发热量低，有助于维持培养环境稳定，并显著降低传统汞灯或卤素灯带来的强光毒性。

• 高灵敏度科学级CMOS相机： 具有高量子效率、低读出噪声和高动态范围，能够在低曝光条件下捕获清晰的弱荧光信号，进一步减少光照对细胞的刺激。

• 优化的相差成像技术： 无需染色即可获得高对比度的细胞形态图像，是观察细胞铺展、分裂、迁移等动态过程的理想无标记方法。

2.3 智能化图像获取与分析软件

• 直观的定时摄影与实验设计： 用户可轻松设置成像间隔（从数秒到数小时）、总时长、曝光参数和多点位顺序，创建复杂的长时间实验协议。

• 强大的细胞追踪与定量分析模块：

• 细胞增殖与汇合度分析： 自动计算指定区域内细胞的覆盖面积百分比（汇合度），生成生长曲线。

• 细胞迁移与追踪： 自动识别并追踪单个或群体细胞的运动轨迹，计算迁移速度、方向性和位移等参数。

• 细胞形态学分析： 定量分析细胞的面积、周长、长宽比、圆度等形态特征变化。

• 荧光强度定量： 对荧光标记的细胞或亚细胞结构进行荧光强度定量，监测蛋白表达、钙离子波动等。

• 数据可视化与管理： 可将时间序列图像合成为动态视频，直观展示细胞行为；所有原始图像与分析数据集中管理，便于回溯与分享。

三、应用场景与解决方案

Celloger Nano广泛应用于需要动态观测细胞行为的研究与开发领域。

3.1 主要应用领域

• 细胞生物学基础研究

• 应用场景： 细胞周期进程、有丝分裂、细胞凋亡与坏死、细胞自噬、细胞粘附与铺展、细胞间相互作用。

• 解决方案： 长时程成像直接观察细胞分裂次数与命运；通过形态变化（如皱缩、出泡）区分凋亡与坏死；追踪细胞与基质的相互作用。

• 药物发现与毒理学研究

• 应用场景： 化合物或生物药对细胞增殖的抑制/促进作用、细胞毒性评估（实时IC50测定）、药物对细胞迁移/侵袭的影响、心脏安全性评估（如心肌细胞搏动分析）。

• 解决方案： 实时监测给药后细胞形态、数量、活性的动态变化，获得更精准的药效与毒性动力学数据，优于终点法。

• 癌症研究

• 应用场景： 肿瘤细胞迁移与侵袭、血管生成（内皮细胞管腔形成）、肿瘤球（3D细胞球）生长与药物渗透。

• 解决方案： 在模拟体内环境的基质胶中追踪癌细胞的迁移过程；长时间观测内皮细胞网络的形成与稳定。

• 干细胞与再生医学

• 应用场景： 干细胞增殖、克隆形成、定向分化过程监测（如向神经元、脂肪细胞、成骨细胞分化）。

• 解决方案： 无干扰地观察干细胞集落的形成与扩增；通过形态变化早期判断分化趋势。

• 细胞治疗产品开发与质控

• 应用场景： 免疫细胞（如CAR-T， NK细胞）的扩增动力学、对肿瘤细胞的杀伤动力学、细胞活力长期监测。

• 解决方案： 在符合GMP要求的数据完整性框架下，定量评估治疗用细胞的增殖能力与杀伤活性，为工艺优化和放行检验提供关键数据。

3.2 典型案例分析

• 案例：抗肿瘤药物对癌细胞迁移抑制作用的实时评估

• 挑战： 传统Transwell或伤口愈合划痕实验只能提供终点数据，无法反映药物作用下细胞迁移行为的动态变化过程，且操作人为误差大。

• 解决方案： 将肿瘤细胞接种在培养板中，使用Celloger Nano进行连续成像（如每15分钟一帧，持续24-48小时）。在细胞开始迁移后加入不同浓度药物。软件自动追踪多个视野中细胞的运动轨迹。

• 成效： 获得了细胞迁移速度、方向持久性随时间变化的完整曲线。不仅定量比较了不同药物浓度的最终抑制效果，观察到药物在作用2小时后即开始改变细胞的运动模式，而总位移的显著差异在8小时后才显现。这为理解药物的早期作用机制提供了全新视角。

四、操作、维护与注意事项

4.1 标准操作流程简述

1. 系统准备： 开启系统，预稳定培养环境（温度、CO₂），在软件中设置实验名称和参数。

2. 样品准备与放置： 将接种了细胞的培养皿/板从传统培养箱中取出，快速放入Celloger Nano的成像载物台上。

3. 实验设置： 选择物镜，对焦，定义需要采集的多个XY视野；设置成像通道（明场/荧光）、曝光时间、采集间隔和总时长。

4. 启动实验： 保存设置，开始自动成像。期间可远程监控预览图像。

5. 数据分析： 实验结束后，使用分析软件进行细胞追踪、计数、荧光定量等处理，导出数据和视频。

4.2 日常维护要点

• 每次使用后： 清洁载物台和物镜前镜头（如有污染），用软布擦拭仪器外壳。

• 定期： 检查CO₂气瓶压力，更换水箱中的无菌水（用于加湿），根据使用情况校准对焦系统。

• 光学部件： 保持光学清洁，避免灰尘污染。

• 软件： 定期备份实验数据和项目文件。

4.3 关键注意事项

• 细胞状态是关键： 起始细胞状态必须健康，接种密度需根据实验目的（如增殖、迁移）进行优化。

• 培养皿兼容性： 确保使用的培养皿底部光学质量良好（如玻璃底或专用塑料底），厚度符合要求，以保证成像质量。

• 荧光染料选择： 进行长时间荧光成像时，应选择光稳定性好、毒性低的染料（如某些活细胞染料），并尽量降低曝光强度和频率。

• 对照设置： 必须设置未处理的对照组，以区分正常细胞行为变化与处理因素引起的效应。

• 数据解读： 动态数据信息量巨大，需结合生物学知识进行审慎解读，注意区分真实的生物学现象与可能的光漂白、焦点漂移等技术假象。

五、附录与参考资料

相关标准与指南

该系统的应用与数据分析可参考以下新国际指南与共识：

• ISO 20391-2:2019《Biotechnology — Cell counting — Part 2: Experimental design and statistical analysis to quantify counting method performance》：细胞计数相关实验设计与统计分析的通用指南，对基于图像分析的细胞增殖实验有重要参考价值。

• MIQE Guidelines (Minimum Information for Publication of Quantitative Real-Time PCR Experiments) 及其衍生思想：虽然针对qPCR，但其强调实验细节透明、数据可重现的理念，适用于需要发表活细胞成像定量数据的研究。

• 《细胞迁移检测专家共识》：国内相关领域专家发布的指导性文件，对迁移实验的设计、执行和数据分析提供规范建议。

• ICH S7B《The Nonclinical Evaluation of the Potential for Delayed Ventricular Repolarization (QT Interval Prolongation) by Human Pharmaceuticals》：药物心脏安全性评价的国际指南，其中体外心肌细胞 assays 可借助活细胞成像技术实现。

• ISCT（国际细胞治疗学会）发布的相关指南：对于细胞治疗产品的体外功能学检测（如增殖、杀伤），活细胞成像可作为符合指南精神的重要技术手段。

六、文章信息

关于广东森德仪器有限公司

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