人工智能和激光技术实现活细胞快速分类和分析自动化

为了实现个性化医疗的潜力，克服像大流行病这样的危机情况，实验室需要一种高效的方法来分离活细胞，以便进行分析和测试。在不损害细胞活力的情况下分离特定细胞类型的能力，是推进药物研究的必要条件。

为满足这一需求，弗劳恩霍夫协会下属的激光技术研究所和生产技术研究所开发出了一种人工智能辅助工具，可通过高通量流程自动从样本中分类和分离活细胞。这项技术被称为 LIFTOSCOPE，它将高速显微镜、基于人工智能的分析以及活细胞和细胞簇的定位，与激光诱导前向转移（LIFT）结合在一起。

LIFTOSCOPE每秒可定位、识别和分析数十个活细胞。它能在200μs内完成单个细胞的转移，并能在100秒内将1万个细胞激活并转移到微孔板上。为了创建LIFTOSCOPE，项目团队将人工智能辅助的高通量流程集成到市售的倒置显微镜中，并为显微镜配备了高速相机和闪光灯。它将用于细胞转移的中红外LIFT流程直接集成到显微镜的光束路径中。

与显微镜相连的摄像系统，每秒可提供100幅高分辨率图像。人工智能技术利用语义分割来识别图像数据中的所需细胞类型。人工智能还能确定细胞的准确位置和重心。人工智能系统经过训练还可识别多能干细胞、高产细胞和免疫细胞。

在对细胞进行分拣和分析后，利用MIR LIFT流程将细胞转移到微孔板上。LIFTOSCOPE使用的高精度、光学监控、激光工艺，使其能够精确控制和转移细胞。转移细胞的存活率超过 90%。激光技术研究所生物制造小组负责人Nadine Nottrodt说：根据细胞类型的不同，100% 的细胞都能在这一过程中存活下来。

细胞以高达100Hz的高频率传输。研究小组开发的六孔微量滴定板支架使这项技术更容易集成到任何显微镜平台上，无论生产商是谁。研究人员说，LIFT过程快速而简单。LIFT使用9ns 激光脉冲，只需要几微焦的脉冲能量，就能刺激位于目标细胞正下方的液体介质形成气泡。之前被释放的细胞被气泡短暂托起。一旦气泡崩溃，就会形成吸力，将细胞冲入微孔板的培养容器中。

“细胞在样本中随机分布。因此，我们的系统按照预先设定的网格，转移焦点半径50μm范围内的细胞。”项目经理Richard Lensing说。虽然荧光标记可用于识别特定细胞，但即使不使用添加剂，LIFT过程也能很好地发挥作用。人工智能技术可提供精确定位，确保细胞被射流捕获并传送到微孔板中。LIFT工艺使用了MIR 2940nm波长激光直接激发液体介质。该波长几乎不会被样品载体中的聚合物吸收。

研究小组开发了两种细胞培养移动策略，即停即走方法和连续过程。走走停停法能够对含有多种不同细胞的样本进行分类，从而使样本制备变得更容易。不过，这种方法也会降低效率。Nottrodt说：在即停即走操作中，必须在细胞LIFT前后插入一个短暂的休息阶段，因为每次停止都会在样品中引发流体动力电流，而流体动力电流必须在下一个细胞转移之前首先沉淀下来。

在使用连续过程时，LIFTOSCOPE扫描仪以50μm的间距扫描多达1600条线的样品载体，并转移在连续移动过程中聚焦的每个细胞。传输的细胞越多，这种方法节省的时间就越多。当传输1万个细胞时，连续过程的速度是“走走停停”策略的两倍多。当转移10万个细胞时，其速度是“走走停停”操作的20倍。

研究小组的目标是稳定自动细胞识别和LIFT过程的高通量，将完成一个微孔板所需的时间限制在10分钟内。用于成像和在流程周期中定位激光焦点的高精度致动器将确保LIFT流程具有人工智能支持的细胞检测和测量所需的分辨率。这还将确保激光焦点定位在细胞正下方，误差在25μm以内。

这种以人工智能为基础的激光过程可以使分离活细胞的任务完全自动化。Nottrodt表示，根据项目团队取得的进展，细胞LIFT与高速相机的图像频率同步是可行的，这将使单细胞分拣速度达到每秒100个细胞。项目组的下一步工作将是利用该工艺的原型实现市场成熟度。

两家研究所在4月9-12日于慕尼黑举行的analytica 2024上展示了LIFTOSCOPE设备。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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