流式细胞术的新应用

1、流式细胞术的新应用杨丽娜 学号201011560摘要：流式细胞术是目前生物学领域重要的检测技术，它是一项集多种高科技技术于一体的新型分析检测方法。近年来在其基础上建立起来的新型流式细胞仪系统，在生物研究领域有着广泛的应用。本文综述了近五年流式细胞术在新领域的应用和进展。关键词：流式细胞术；进展；应用流式细胞术是上个世纪六七十年代发展起来的一门高新技术，它集成了计算机技术、激光技术、流体力学、细胞化学、细胞免疫等多项技术和方法，兼具有分析和分选等功能。流式细胞术通过检测细胞的荧光强度或其他光学特性可分辨多种细胞特性，如细胞表面标志物、蛋白表达、DNA含量、细胞内离子浓度、细胞内氧化还原状态、细胞

2、功能如细胞凋亡、细胞周期和磷酸化状态等1，其在临床诊断、疫苗研发、基因组、蛋白组、蛋白工程、新药发现、生殖生物学、植物和海洋生物学、毒理学、单分子检测等多方面发挥着举足轻重的作用2。至今流式细胞仪经过40多年发展，在检测技术、高通量分析、数据收集与分析等方面都取得了很多突破，如成像流式细胞仪，将流式细胞检测与荧光显微镜成像结合，不仅获得细胞群的统计数据，同时可得到单个细胞的图像，从而提供细胞形态、细胞结构和亚细胞信号分布、细胞相互作用、胞内分子转运、基因表达分析等信息；生物分选流式仪，可以对各种生物微粒和生物大分子进行分选和测定；高通量流式分析仪可以进行多重蛋白或可溶性化合物的高通量筛选和分析

3、；功能性流式细胞仪，则可以进行细胞功能的分析和研究，如细胞凋亡及细胞周期分析等。近年来随着技术的不断创新和方法的改进，流式细胞术在生物学领域的应用范围日益扩大。本文结合近年来的研究，就其在生物领域的新应用做一概述。流式细胞术的基本原理是根据每一个微粒（细胞）的荧光强度和光散射情况等属性的不同进行检测，从而将细胞或微粒按大小、形态或其他特性的不同进行分辨，近年来流式细胞术在以下几方面的生物研究中的取得了一定的突破和进展。1.单细胞分析流式细胞术最初用于分析细胞的荧光强度及分选带有特定荧光标记的细胞。将细胞悬浮于液流中单排通过多激光光束，从而使激光探测器将细胞发出的荧光信号转换为电信号，通常细胞被

4、细胞膜蛋白的荧光抗体所标记。根据不同波长下光信号的强度，将细胞以大小，粒度和膜蛋白的表达量的不同而逐个进行区分。流式细胞仪和细胞分选器可每小时分析上千个单细胞，并且可同时分析多达18个蛋白标记3。此外流式细胞术还可用于纯化亚细胞群3。在过去几年中，流式细胞术逐渐发展，现已可用于鉴定和纯化各种各样的细胞群，包括组织和肿瘤中的干细胞4。近来的进展包括利用磷酸化特异性抗体检测多种蛋白的磷酸化状态，从而监控成千个单细胞的信号通路3。而将流式细胞术和质谱分析法结合后，用特异性的多原子标签替代荧光标签来标记抗体，可克服不同荧光标签产生的光叠加问题，从而增加标记物的检测数量，实现多参数检测3。2 基因组测序

5、与基因表达的检测流式细胞术可分离单个细菌从而进行全基因组扩增和测序5，最近发现可从肿瘤细胞中分离单个流式分选的核，接着进行全基因组扩增和单细胞基因的测序，从而研究肿瘤发展6。而另一个课题组发现通过FISH并结合流式细胞术可对染色体上的重复基因组进行分析7。流式细胞术与FISH的结合也可用于端粒平均长度的检测8。在基因的甲基化分析中，流式细胞仪可用于寻找癌症的生物标志物，通过定量临床血浆和粪便样品中DNA甲基化状态可寻找生物标志物9。流式细胞仪目前不仅仅用于基因组研究，还可通过标记DNA进行染色体倍性分析、细胞周期分析、分拣染色体。最新研究发现它还可用于筛选精确分期的线虫胚胎，从而分析其RNA表

6、达10，而通过反复交配和单缺失株的富集可创建出带有多个精确缺失的酿酒酵母11。3.高通量筛选流式细胞术因其多参数、高速分析和高分选能力，加之新型流式细胞仪整合了96孔板上样技术和数字化电子系统，使得样品采集速度高达15000个/秒，尤其适用于高通量筛选。近来流式细胞术用于从可溶性化合物文库中筛选药物，并且在药物研发的其他阶段发挥着重要的应用，如化合物定性，通路分析，毒理学等1。目前已成功通过流式细胞术高通量筛选单链抗体12，也可用于筛选新药13如抗凋亡Bcl-2蛋白家族的抑制剂的高通量筛选14，G蛋白信号调节蛋白RGS4D抑制剂的鉴定15，转运蛋白ABCB1，ABCC1和ABCG2的特异性抑制

7、剂的检测16。利用高通量流式细胞术还可筛选和分析蛋白酶活性17。4.临床应用流式细胞术每秒成千个样品的检测能力，为生物医学与临床检验提供了全新视角和强有力手段，尤其是在诊断机体免疫状态或肿瘤形成时，在基础研究中可通过分析磷酸化蛋白从而评估信号通路，在应用中可检测药物处理后动物或病人体内细胞功能的改变，因此流式细胞术在临床和预临床研究中也很受欢迎1。流式细胞术可进行淋巴细胞亚群分析，将不同的淋巴细胞亚群区分开，并可计算它们相互间的比例。通过对患者淋巴细胞各亚群数量的测定了解淋巴细胞的分化功能，鉴别新的淋巴细胞亚群，并且通过研究大多数疾病的特异性淋巴细胞亚群或某些细胞表面标志的存在、缺乏、过度表达

8、等，对一些疾病，如免疫学疾病、感染性疾病、肿瘤等诊断、治疗、免疫功能重建和器官移植监测等有重要的意义。如HIV主要侵袭CD4阳性细胞，而导致CD4阳性T细胞减少，为艾滋病的诊断和治疗提供依据。流式细胞术在临床上也可用于白细胞亚型分析，还可用于利用靶向特异性抗原的抗体可鉴定血细胞的亚群，从而得出病人的免疫表型特性 1。在临床诊断中，由于可用探针及仪器设备的限制，多参数流式细胞术未能普及，但随着多激光流式细胞仪和新型探针（半导体纳米晶体，量子点）的研发，流式细胞术可分析17种荧光散射光18, 19，但由于进样、程序设置及数据分析等的复杂程度依然限制了流式细胞术在监控临床试验中的作用，但优化检测流程

9、后可让使用流式细胞仪监控的多中心临床试验的实验可变性降至最低程度20，从而扩大流式细胞术在临床中应用范围。展望流式细胞术整合了激光光学、现代流体力学、电子物理学、光电测量技术、计算机技术、荧光化学技术及单克隆抗体技术等多项技术，是多学科多领域技术进步的结晶。随着现代科技的发展，流式细胞术仍然在快速发展，并已在检测技术、分选技术及高通量分析等方面得到了广泛应用。随着现代生物医学、精密机械加工技术的发展，以及新型荧光染料的开发和细胞制备方法的改进，流式细胞术也必将取得更大更快的进展，得到更加广泛的应用。参考文献 1Sklar L A, Carter M B, Edwards B S. Flow c

10、ytometry for drug discovery, receptor pharmacology and high-throughput screeningJ. Curr Opin Pharmacol, 2007,7(5):527-534. 2Bergquist P L, Hardiman E M, Ferrari B C, et al. Applications of flow cytometry in environmental microbiology and biotechnologyJ. Extremophiles, 2009,13(3):389-401. 3Kalisky T,

11、 Quake S R. Single-cell genomicsJ. Nat Methods, 2011,8(4):311-314. 4Preffer F, Dombkowski D. Advances in complex multiparameter flow cytometry technology: Applications in stem cell researchJ. Cytometry B Clin Cytom, 2009,76(5):295-314. 5Zhang K, Martiny A C, Reppas N B, et al. Sequencing genomes fro

12、m single cells by polymerase cloningJ. Nat Biotechnol, 2006,24(6):680-686. 6Navin N, Kendall J, Troge J, et al. Tumour evolution inferred by single-cell sequencingJ. Nature, 2011,472(7341):90-94. 7BrindAmour J, Lansdorp P M. Analysis of repetitive DNA in chromosomes by flow cytometryJ. Nat Methods,

13、2011,8(6):484-486. 8Baerlocher G M, Vulto I, de Jong G, et al. Flow cytometry and FISH to measure the average length of telomeres (flow FISH)J. Nat Protoc, 2006,1(5):2365-2376. 9Li M, Chen W D, Papadopoulos N, et al. Sensitive digital quantification of DNA methylation in clinical samplesJ. Nat Biote

14、chnol, 2009,27(9):858-863.10Stoeckius M, Maaskola J, Colombo T, et al. Large-scale sorting of C. elegans embryos reveals the dynamics of small RNA expressionJ. Nat Methods, 2009,6(10):745-751.11Suzuki Y, St O R, Mani R, et al. Knocking out multigene redundancies via cycles of sexual assortment and f

15、luorescence selectionJ. Nat Methods, 2011,8(2):159-164.12Ayriss J, Valero R, Bradbury A R, et al. Multiplexed flow cytometry: high-throughput screening of single-chain antibodiesJ. Methods Mol Biol, 2009,525:241-260.13Krutzik P O, Nolan G P. Fluorescent cell barcoding in flow cytometry allows high-t

16、hroughput drug screening and signaling profilingJ. Nat Methods, 2006,3(5):361-368.14Curpan R F, Simons P C, Zhai D, et al. High-Throughput Screen for the Chemical Inhibitors of Antiapoptotic Bcl-2 Family Proteins by Multiplex Flow CytometryJ. Assay Drug Dev Technol, 2011.15Roman D L, Talbot J N, Roo

17、f R A, et al. Identification of small-molecule inhibitors of RGS4 using a high-throughput flow cytometry protein interaction assayJ. Mol Pharmacol, 2007,71(1):169-175.16Ivnitski-Steele I, Larson R S, Lovato D M, et al. High-throughput flow cytometry to detect selective inhibitors of ABCB1, ABCC1, an

18、d ABCG2 transportersJ. Assay Drug Dev Technol, 2008,6(2):263-276.17Saunders M J, Edwards B S, Zhu J, et al. Microsphere-based flow cytometry protease assays for use in protease activity detection and high-throughput screeningJ. Curr Protoc Cytom, 2010,Chapter 13:12-13.18Perfetto S P, Chattopadhyay P K, Roederer M. Seventeen-colour flow cytometry: unravelling the immune systemJ. Nat Rev Immunol, 2004,4(8):648-655.19Chattopadhyay P