在一項新的研究中，日本研究人員發(fā)明了一種新的細胞識別和分選系統，并稱(chēng)之為鬼影細胞測定儀（Ghost Cytometry）。這種系統將一種新的成像技術(shù)與人工智能（AI）結合在一起以史無(wú)前例地高通量速度識別和分選細胞。他們希望他們的方法將用于識別和分選在患者血液中的循環(huán)癌細胞、能夠加速藥物發(fā)現和改進(jìn)基于細胞的醫學(xué)療法的療效。相關(guān)研究結果發(fā)表在2018年6月15日的Science期刊上，論文標題為“Ghost cytometry”。
日本東京大學(xué)的Sadao Ota副教授說(shuō)，“鬼影細胞測定儀將有助于需要在實(shí)驗室中對細胞進(jìn)行分類(lèi)的研究人員并且讓需要快速地和準確地分離和診斷細胞樣品的臨床醫生受益。”
在這項研究中，這些研究人員證實(shí)鬼影細胞測定儀能夠分選至少兩種不同類(lèi)型的具有相似大小和結構的細胞，而且很少發(fā)生分選錯誤。鬼影細胞測定儀能夠以每秒1萬(wàn)多個(gè)細胞的速度識別細胞，并且以每秒數千個(gè)細胞的速度對細胞進(jìn)行分類(lèi)。現存的細胞分選機器不能夠區分具有相類(lèi)似形狀的細胞類(lèi)型。人類(lèi)專(zhuān)家借助顯微鏡通常以每秒少于10個(gè)細胞的速度識別和分選細胞，而且有時(shí)還具有較差的準確度。
鬼影細胞測定儀的名稱(chēng)是指這種技術(shù)分析最小光波數據的獨特方式，它無(wú)需將任何光數據轉換為圖片；它是一種不產(chǎn)生圖像的成像技術(shù)。當前的識別不同類(lèi)型細胞的方法依賴(lài)于這些細胞的顯微圖片，隨后計算機圖像識別程序或人類(lèi)觀(guān)察者基于這些顯微圖片對這些細胞進(jìn)行分類(lèi)。依賴(lài)于完整的圖像使得實(shí)時(shí)高通量的細胞分選成為一種難以實(shí)現的目標。
Ota說(shuō)，“在這個(gè)研究項目開(kāi)始時(shí)，我們是一個(gè)由年輕科學(xué)家組成的小團隊，而且實(shí)驗室裝備簡(jiǎn)陋。鑒于我們的資源有限，我們專(zhuān)注于最有效的信息使用方式，而不是構造更好的硬件。這讓我們產(chǎn)生一種想法：不以傳統方式開(kāi)發(fā)新的基于圖片的技術(shù)，而是將視覺(jué)信息轉換為允許通過(guò)機器學(xué)習進(jìn)行快速處理的格式。”Ota是開(kāi)發(fā)這種技術(shù)的由光學(xué)成像專(zhuān)家、生物工程師、生物物理學(xué)家和機器學(xué)習專(zhuān)家組成的一個(gè)跨學(xué)科研究團隊的一員。這個(gè)研究團隊的一些成員還創(chuàng )立了旨在將這種設備商業(yè)化的ThinkCyte公司。
Ota說(shuō)，“有時(shí)候沒(méi)有染色劑、染料或其他的生物標志物來(lái)有效地標記不同類(lèi)型的細胞或同一細胞的不同激活狀態(tài)。這時(shí)正是鬼影細胞測定儀對臨床醫生、患者和研究人員特別有價(jià)值的時(shí)候。”
在鬼影細胞測定儀中，每次一個(gè)細胞通過(guò)單個(gè)像素檢測相機下方的狹窄通道，這個(gè)像素檢測相機檢測每個(gè)細胞發(fā)出的熒光。這種對光波的理解無(wú)需將它們轉換成完整的圖像，這就使得鬼影細胞測定儀成為一種不產(chǎn)生圖像的視覺(jué)系統。配備有機器學(xué)習算法的電路與單個(gè)像素檢測相機連接在一起，并且學(xué)習每種細胞類(lèi)型的獨特光波模式以便在10微秒內識別細胞。這種電路隨后發(fā)送電信號來(lái)推動(dòng)細胞根據它們的類(lèi)型進(jìn)入正確的分選通道。
這種機器學(xué)習系統不需要圖像來(lái)分析細胞，但是如果研究人員需要圖像進(jìn)行額外的分析，那么這個(gè)像素檢測相機確實(shí)能夠捕獲足夠的信息來(lái)數字化地重建通過(guò)這種細胞測定系統的細胞的傳統二維圖片。
這種鬼影細胞測定儀涉及利用以一種獨特的方式對任何一種細胞類(lèi)型進(jìn)行染色的熒光染料對細胞進(jìn)行染色。這些研究人員當前正在進(jìn)行的研究項目正在探究更先進(jìn)的機器學(xué)習程序和成像技術(shù)能夠完全消除熒光染色的可能性。
這是首個(gè)超快的熒光成像活化細胞分選（fluorescence imaging-activated cell sorting）技術(shù)，它能夠高通量地從物理上相類(lèi)似的細胞混合物中分離出一種特定的細胞類(lèi)型。ThinkCyte公司計劃今年與研究機構合作，利用鬼影細胞測定儀啟動(dòng)腫瘤學(xué)和再生醫學(xué)臨床研究項目。該公司已開(kāi)發(fā)出鬼影細胞測定儀的一臺樣機，并計劃在2019年將它的研究用測試設備商業(yè)化。
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