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• Jay Haron Ph. D.
  jay dot haron at gmail dot com
  BD Biosciences, San Diego, United States

引用

實驗材料和方法

  從1968年 zui早的商品化 流式細胞術(FC) 和熒光激活細胞分類術(FACS)誕生以來, 它們已得到大大改進。但要成為實驗室廣泛接受的技術，除成本因素外，還存在不少障礙。技術上的問題主要是細胞內低豐度分子的檢測，缺少“通用”細胞通透物 質，細胞自發熒光的干擾效應，熒光分子間發射光譜的重疊，以及缺少可識別目標分子的試劑。特別是對于細胞分揀來說，由于液滴的形成收集、分揀細胞重分析或 培養前的稀釋，以及為獲得足夠數量的可用細胞需要的時間延誤的原因，還存在細胞存活問題。zui后，特別是在處理低豐度對象時，數據分析也是很棘手的。

有一篇關于 流式細胞儀理論的不錯的綜述，介紹了流式細胞儀的操作語言。此外，還有另一篇文章涵蓋了提供流式細胞儀所用特定試劑的 主要抗體供應商。本文將聚焦于以下幾點：

1）硬件的選擇和注意事項

2）流式細胞儀和細胞分選的實際問題

3）數據分析和軟件。這幾個話題包含的內容不展開論述

希望讀者在著手開展表1列出的一些流式細胞儀應用研究前，了解一些注意事項。
 

表1. 流式細胞儀和/或細胞分揀的常見應用

硬件

在決定需要什么實驗設備的時候，細胞生物學家需要了解自己的預計需求和預算。表2列出了市場上可有的選擇。由于這些設備會不斷更新，建議到制造商查詢。
 

表 2. 主要設備供應商

做小顆粒分析的專業公司（JSAN, Partec, Accuri）將他們的服務定位于個體實驗室或需對其細胞分揀儀做恒定質量分析的實驗室。他們通常會用到改進的更小的激光二極管和微流體。但如果需要做每 日監控或者對大型項目（如臨床試驗）的多臺儀器的數據進行比較，其軟件沒有大公司的強大。一個建議是確保儀器輸出文件能夠同您打算使用的收集后分析軟件兼 容。

研究人員對研究對象進行了分類，超大型（浮游生物、母細胞、早期胚胎），非常小（微粒、細菌）或者高度不對稱（精子、肌小管）。確保您將要使用的儀器以前在這一應用中被成功使用過。噴嘴直徑、流動細胞的幾何形狀、流速、液滴大小、檢測器位置都會影響到結果。

再生醫學和癌癥治療研究通常要求對細胞進行分離以確保純度、細胞活力，并且便于在流式細胞儀實驗室和病人間運送。Closed cartridges (Owl，Cytonome公司) 似乎是制造商為解決這一問題的一個嘗試。另一個途徑是提供帶有無菌罩或者可匹配標準尺寸無菌罩的細胞分揀儀。

有幾種可增強流體流動的技術，如聲學對焦 (Life Technologies公司)、等壓射流 (Stratedigm公司)、毛細管(Millipore公司)，或微流控技術（幾個還在開發中）。它們大多已在其他設備上應用，卻未必已用于流式細胞 儀。為便于使用者獲得及時反饋，我建議本文讀者加入 普渡大學流式細胞儀訂閱。許多流式細胞儀方面的人物都會定期在該論壇上提供有價值的信息。其他博客，比如Google+，也有類似功能，但它們缺乏普渡團隊的深度和廣度。

另外，還有一些有意思的技術在這一領域也很有影響。首先，利用Miltenyi或其他公司的磁珠對目的細胞做預純化或清洗可提高分揀效率。當然，僅僅利 用一輪或多輪磁珠篩選而不用流式細胞儀，許多研究也能開展起來，但這不是本文討論的重點。Amnis 公司已將流式細胞儀射流與熒光顯微鏡和數字成像整合在一起。其結果是一系列單個細胞的圖像能夠顯示熒光團的分布，而非簡單的平均熒光指數（MFI）。 DVS Sciences已極大地擴展了可用質譜（MS）檢測結合報告抗體的金屬螯合物的靶標數。目前有33種不同的金屬可被同時檢測。該儀器被Time of Flight 稱為"Cytof"  [1]。考慮購買該儀器的研究人員應該確保他們有這一深度的細胞分析需要。此外，細胞在等離子體中會被汽化，所以用于研究的細胞不能恢復。

細胞分揀儀制造商有一點不能達成共識，激光檢測是在細胞通過噴嘴后的液滴中（空氣中的蒸汽），還是液滴形成前的流動細胞內，完成效果好。如圖1， （上圖）一個蒸汽系統（Influx，也可能是FACSCalibur或其他設備），（下圖）一個流動細胞系統（BD公司的 FACS Aria III）。
 

圖 1. 蒸汽的（頂部）和流動的（底部）細胞分揀裝置的光學構造。BD Biosciences®轉載許可。

這兩者各有優勢和局限。蒸汽分揀儀硬件設備簡單，檢測點與收集裝置間距離較短，檢測樣品的激光數多。而流動細胞分揀系統通過比色皿提供層流和增強的樣品 聚焦。然而，流動細胞長度有限，而且激光光學裝置需要足夠空間避免不同通道間的串擾。對于敏感性來說，流動細胞系統明顯占優，但蒸汽系統沒有保持細胞清潔 的問題，并且能提供額外的激光束。需要指出的是，有些激光束本身對細胞有毒害作用。

細胞懸浮于液滴中，然后使其經主脈沖自由下滴（或提供壓力）。有關液滴如何帶點和偏向的問題，請參考Labome其他流式細胞儀的文章 圖7。

此外，關于培養基種類和細胞存活體積的問題。相關文章和普渡大學有大量關于培養基的建議，但培養基通常會選用牛胎兒血清（FBS）。將細胞收集到 11 x 75 毫米或更大的管中，需要用到0.5 - 1 mL的牛胎兒血清。對于多層平板來說，牛胎兒血清應該占一半的體積，因為還要考慮平板干掉的問題。而如果僅僅是收集核酸，用于細胞裂解和核酸提取的同樣的 產品就可以了。此外還建議對進一步處理的細胞在營養豐富的生長培養基中進行復蘇。

所有的流式細胞儀制造商都在增加分揀細胞存活方面取得了很大的進步。微流體方面的新進展可能使不通過液滴形成做細胞收集成為現實。不管答案是否是毛細管-基礎系統或基于微通道的系統，都必將規避分揀時的細胞壓力問題。


試劑-抗體

除非你用病人血清建立診斷檢測，不缺少提供流式細胞儀抗體的公司。請見Labome文章 列表。然而，并非所有這些公司都有相同克隆-并且不是所有克隆在流式細胞分析中作用方式相同。如果文章中沒有列出想要的克隆，而你又想運行相似的實驗，請作者找出使用的哪一克隆。

多數公司不會公開抗體純化和標記的方法，但如果你是從一個聲譽較好的公司購買，同一克隆標記相同的熒光基團就可以了，除非是在發貨途中受損，微生物污染或者保存不當。按照制造商建議的儲存條件，抗體至少能保質一年。

然后，你應該決定你的實驗是否要用熒光直接標記的抗體，或者用二抗，生物素-鏈霉親和素，或其他配體-受體。除非您的實驗室預算緊張，應使用直接標記的抗體。直接標記的抗體背景較低，沒有裂解細胞釋放的生物素造成干擾，重復性較好。

另一種選擇是用標記試劑盒或者第三基團標記的抗體，如 SoluLink或其他的。一些抗體制造商也提供用戶定制標記，但應認真考慮公司在抗體標記方面的聲譽如何。所有的化學基團各有優劣，因此需要慎重考慮交聯劑（請見Thermo Fisher Pierce   實用指南。

有五種基本類型的熒光染料：小分子染料（如熒光異硫氰酸酯/ FITC和Alexa染料），蛋白染料（藻紅蛋白、別藻藍蛋白、綠色熒光蛋白），串聯染料，其中蛋白染料收集熒光，將它傳輸至小分子染料，然后串聯染料發 出同小分子染料（如APC-Cy7）量子點和多聚染料(  亮紫)相同波長的光波。所有的都各有優點和缺點，但蛋白染料和小分子染料在流式細胞儀中使用時間zui長。

我們很容易就能觀察到標記的大分子蛋白（> 100 kD）、疏水性染料或聚合物是如何改變單克隆抗體活性的。為說明相對相對大小，圖2顯示了一個抗體分子與一個蛋白分子共軛的結構（在這種情況下辣根過氧化 物酶“只有”44 kD）。我們可以得出這樣的結論：zui安全的方法是使用以前別人用過的同一克隆抗體和熒光染料結合的抗體。但是，我們為什么不能創造出一種*的抗體呢-通 過表達細胞或非表達細胞共軛組合并表征其特異性，然后滴定抗體zui大化其信噪比，這樣你的實驗室就有一個新的試劑了。

 

圖 2. 

試驗中選擇熒光染料基于以下幾點：

1）流式細胞儀或細胞分揀儀上可以用什么樣的激光器和濾波器

2）目標相對豐度-更亮的熒光染料應該用在低豐度的分子上

3）靶標是否在細胞內。胞內靶標被包埋于細胞中，所以應該使用zui亮的熒光染料兩種激光儀器，比如Guava? EasyCyte 或者BD? FACSCalibur 只能使用四種熒光染料，所以染料選擇就像設置一個可用熒光染料基質并設其為檢測目標一樣簡單。PE通常是zui亮的，其次是APC，因此它們應該被連接到胞內 或低豐度的抗體上。想了解發射光溢出量，例如PE通道中的異硫氰酸熒光素，我們可以參考光譜分析 Invitrogen公司或者 BD公司。

如果超過兩種激光/四種顏色，我們就必須考慮自動還是手動補償了。 [2]   [3] Fluorescence minus One (FMO)可以控制 [4] 分析儀器-特定波長、強弱和熒光染料的重組。對于這些問題，我建議閱讀相關文獻并咨詢您的流式核心管理層和內部專家。


試劑 - 固定劑和通透緩沖液

  使用的固定劑幾乎都是多聚甲醛、PFA或者甲醛。這三種名字的固定劑都會用到，但其活性成分是相同的。固定劑應在磷酸鹽緩沖液（PBS）中稀釋至1-4%，固定過程通常在冰上進行。如果是激酶或磷酸蛋白，其磷酸酶需要迅速失活，因此PFA通常在37℃下使用。

甲醛可與伯胺作用，因為抗體含有結合位點通常帶有靜電相互作用，賴氨酸固定修飾可避免抗體與固定蛋白結合。這也是為什么根據已有實驗方案可以節省時間和 試劑的原因。顯然，固定（包括通透）會迅速殺死細胞，因此如果下一實驗步驟是細胞分級分離或核酸提取，通常會先對固定細胞進行分揀操作。

根據目標抗體是否分泌并在高爾基體內滯留，激酶或磷酸化蛋白是否需要磷酸酶抑制劑，核蛋白是否需要磷脂雙分子層部分溶解和DNA松弛，細胞透化需要選擇不同的方式。所有這些方法都會用到去污劑或酒精，去污劑zui溫和，而酒精特別是甲醇zui強效。

當目標在胞質內時，首先需要用到zui溫和的去污劑皂素。低濃度，通常0.1%的皂素，對胞內細胞因子著色就足夠了 [5]。一些非離子去污劑，如Triton X-100、吐溫80也有使用，但皂素是zui常見的選擇。

對于激酶和磷酸化蛋白來說，相關技術來自斯坦福大學的Gary Nolan 實驗室 [6]   [7]。磷酸酶被PFA和預冷酒精滅活，酒精也可以作為二次固定和強效通透的試劑。文章中建議70%-100%濃度的酒精，而70%和90%濃度的酒精zui常見。也有通透前先染色的例子。在去污劑和酒精中滴定抗體的-基于協議，可以在 Cytobank找到。分析深度的例子請見圖3。

 

圖 3. 典型的Cytobank數據庫熱圖

用甲醇或乙醇作為透化劑可以作用核內目標。乙醇對于擴增細胞-特異性作用于Ki-67更好一些  [8]，但甲醇用的更多。并非所有抗體都結合PFA-甲醇固定細胞，因此許多單抗供貨商會提供一個相容性的表。然而，如果熒光劑是蛋白，在細胞用抗體染色前必須確保甲醇已經去除干凈，因為很多蛋白對醇類的脫水作用比較敏感。

醇類脫水作用的另一個受害者是那些細胞內表達用于流式細胞分析的熒光蛋白。它們包括綠色熒光蛋白、mCherry和Cerulean3。如果熒光信號被醇類處理破壞，就需要用到熒光蛋白抗體來檢測變性熒光蛋白了。

試劑-染料

 非結合染料在 早年是 *種用于流式細胞分析的細胞染色試劑。下面介紹的用到的染料可以分成活體染料（vital dyes）、核酸插入染料（nucleic acid intercalating dyes）、譜系染料（lineage dyes）、陽離子和pH通道染料（cation and pH flux dyes）、外排染料（efflux dyes）和細胞器染料（organelle dyes）。只有zui常用的或者用到的染料才會被提及，如果想查看其他的來源，請參見 分子探針。備注：分子探針? 有15種染料。

活體染料

臺盼藍（Trypan Blue）是*種被發現不能進入活細胞而能自由進入死細胞的染料。PubMed上有一篇參考文獻提及它的使用可以追溯到1914年，*篇用于流式細胞 分析的文獻可以在上面Beckman Coulter鏈接中找到。而zui早將臺盼藍作為活體染料的文章可以追溯到1980年  [8]。從那以后，碘化丙啶（PI）和7-氨基放線菌素D（7-AAD）也被作為了活體染料的選擇 [9]。7-AAD在流式細胞分析中往往較少會外溢到臨近的通道中，因此明亮的DNA染料和另一種柔和的并且有重疊發射光譜的熒光分子一起使用的時候，一定要多加小心。


核酸插入染料

溴化乙錠(EtBr) 和碘化丙啶（PI）能夠結合到DNA雙螺旋的大溝。4,6-二脒基-2-苯基吲哚（DAPI）和Hoechst染料（有幾種常用的）則結合小溝。請注意， 一些染料 (例如碘化丙啶)也會結合到RNA發卡結構形成的溝中，因此如果要做DNA定量，需要用染料和RNA的混合液。其它染料，如7-AAD，不會與DNA大小 溝結合。

DNA 染料也用于細胞周期分析、染色體倍數分析和基因組大小量化。對于這些研究，通常會用到上面提到的DNA染料，但數據分析要求非常苛刻。幸運的是，有一篇很好的文章詳細概述了這一過程 [10]。

細胞凋亡測定就用到了流式細胞儀的多個特性。與DNA結合而不透細胞膜的染料可用于鑒定晚期凋亡和壞死細胞。識別細胞周期蛋白（聚合酶的裂解結構和磷酸化 組蛋白H3）的抗體都可以購買到。zui早的細胞凋亡標記是磷脂酰絲氨酸（PS）溢出，它通常只在細胞質膜內膜上存在。溢出被檢測到，卻并非用的抗體，而是通 過一個Ca2+依賴的結合蛋白，膜聯蛋白V（Annexin V）。這一分子可以購買到，通常連接幾種不同的熒光劑，它已經成為研究細胞凋亡的支柱。膜聯蛋白V的詳細分析請參見  [10]。

譜系染料，例如羧基二醋酸琥珀酰亞胺酯（CFSE）利用膜滲透結合蛋白，然后通過琥珀酰亞胺酯與鄰近蛋白作用。一旦被染色，細胞經過幾次分裂后仍然是染色狀態，因為跟細胞分裂消耗的時間相比，蛋白質的更新更緩慢。


陽離子和pH通道染料

鈣離子(Ca2+)用Fura-2和Indo-1染料檢測 [12]， 它們需要紫外線激發，因此許多流式細胞分析常用的染料在它們身上卻不能使用。Magnesium Green和 一些Fura-衍生物已經被成功用到檢測Mg2+上 [13]。其中有些是在可見光譜中激發的。對pH值測定的熒光染料從1979年就開始使用了。要收集實時數據，您的流式細胞儀要能顯示帶有時間軸的數據，收集率也必須在您想要測定的時候可以兼容多個樣品。

外排染料

幾種正常和轉化細胞能夠運輸有機化合物到細胞外。當細胞發生癌變時，這是極其重要的，從細胞中移除的分子可以作為化療藥物。然而，該轉運過程在正常細胞 中也能被發現，包括干細胞。一些外排的分子還具有熒光活性，有轉運活性的細胞外觀不同，當這些染料存在的時候，可通過流式細胞術分離。zui常用的染料是 Hoechst 33342，有轉運活性的細胞被稱為“側群細胞”[14]。

細胞器染料

標記細胞器的方法有三種。首先，可以用質粒載體轉染細胞，該載體上攜帶熒光蛋白基因，以及將蛋白質同特定細胞器分離的足夠肽段信息。第二，有結合細胞器的 抗體 - 特異性標志物，但它們需要細胞有通透性。染料往往使用簡單，穩定，熒光比多數熒光蛋白更明亮，一些可用于活細胞。Molecular Probes?提供多種染料，包括產品明細一個有用 。 一些常用的染料有：用于線粒體的紅色或綠色MitoTracker；用于氧化狀態線粒體的Dihydrorhodamine 123；LysoTracker Green和Lysosensor Green；用于內質網的DIOC染料，以及作用于高爾基的BODIPY染料。

數據分析-軟件

軟件使得圍繞數據分析的問題變得稍稍簡單了，這也是本文這一部分要討論的主題。然而，大多數軟件以硬件的方式來匹配特定儀器的操作和數據分析。在眾 多廠商里，根據收集的信息是模擬的還是數字的，數據有很大的差異。慶幸的是，有一些不錯的第三方軟件程序包，有一個甚至是免費的，并且他們幾乎不受儀器限 制，能夠開展多數想要的數據分析。

即使考慮到以上所列的困難，我們仍然不能將用這些儀器收集到的信息的廣度和深度細化為生物學或醫學的重要性的問題。在(  PubMed)搜索"flow cytometry" OR "FACS"的綜述文獻能找到許多這一話題的文章，其中這兩種方法中的一種或者兩種都有所使用。表I為通過這種方式找到的應用列表。

應使用流式細胞儀或細胞分揀儀自帶的軟件控制儀器，除非有令人信服的理由不要使用第三方軟件。通常這涉及到購買儀器制造商不再支持的用過的儀器。多數機器 特定的軟件允許進行一些分析。一臺雙激光臺式儀器可能沒有邊緣切割補償、標準化和統計軟件包。其次，有些軟件可能有大多數功能，但缺乏一個你需要的手稿或 演示文稿。第三，可能你的合作者有一臺不同的儀器，但你需要與他共享數據。zui后，你可能有數量有限的儀器軟件副本，但也有許多用戶想在他們自己的電腦上處 理數據，而不破壞原始數據。表III是主要的軟件套裝和它們應用的儀器。

首先，需要考慮儀器的類型。較舊的儀器，如BD FACS Calibur和FACScan，將數據處理為模擬信息。較新的儀器，如目前市場上大部分儀器，將數據處理為數字信息。模擬儀器輸出是一個FCS 2.x文件，它幾乎可以被任何分析軟件包讀取。數字數據可以導出為FCS 2.x或3.x文件，一些較舊的分析程序不能解析FCS3.0數據。一個例子是一個由Joe Trotter編寫的免費軟件包，可從 WinMDI下載。它可以在Windows 95和NT上運行，網上也有討論它可能可在XP上運行。也有一個為老式Macintosh計算機上運行SoftWindows編寫的In 80286版本。

不幸的是，即使兩臺儀器生成同樣的FCS 3.0數據，卻并不意味著人們可以自由地分享不同制造商儀器之間的數據。通常情況是文本格式的問題，可能有一些網上資源可以將一臺儀器特定格式的文件轉換 成另一臺儀器的。三個儀器獨立包可以自動或有小的應用程序為用戶這么做。

數字數據的優勢是什么？zui重要的是，每個數據點（細胞）包含相關數據，這樣，如果您將數據加載到分析軟件包，包括補償在內的幾乎所有參數可以修改。 FCS 2.x數據不能恢復為預補償條件，重新分析就受到限制了。

當然也有軟件包可以填補現有的分析或演示選項的缺口。其中有兩個例子，BD Biosciences的CytoPaint (  Leukobyte)和 Paint-A-Gate ，允許進行批處理聚類分析和展示/  另一個則是 Phoenix Flow Systems它在擴增和DNA分析的時候非常有用。

表3。現有的流式細胞儀軟件

目前，用于分析和數據共享好用的免費軟件包是Cytobank，上面展示了它的細胞分揀（FACSelect）功能。對那些打算研究信號轉導分子運行細 胞內流式分析的研究者來說，Cytobank能夠與他們進行數據共享，FACSelect就是其中一個例子。上傳的數據是保密的，可以將其標記為公開，或 只與特定的合作者共享。這樣，數據可以是限制的，*不受限制的，或限制只向同行開放。Cytobank集成了所有*工具：補償、限群、設置層次結構、 顯示事件子集表、創建等值線圖和熱圖、疊加直方圖。圖4是Cytobank數據的熱圖。

Cytobank確實提供了一個基于訂閱的高維數據集的功能。該軟件被稱為 "SPADE"。
 

圖 4. 典型的批量分析堆疊直方圖

     FlowJo是目前zui常用的流式細胞數據分析軟件包。程序安裝在個人電腦上，TreeStar可以跟隨目前數據分析和演示的趨勢。 FlowJo site提供了一個30天的試用版本10（蘋果版是9.6）。這本手冊有一個令人印象深刻的新功能列 表。不用說，建議在購買前先試用一下。圖5是批處理分析產生一系列層疊直方圖。流式細胞儀會快速生成大量數據。分析大量批處理樣品，然后以一種有意義的方式將它們展示出來是任何流式細胞分析軟件包的*能力。
 

圖 5. DeNovo軟件得出的流式細胞分析結果

還有一個不錯的選項是DeNovo 軟件的FCS Express在線數據包。一位代表堆疊柱狀圖產生的一個批次analysisThe的替代方案，也是一個非常不錯的選擇，是在網上包FCS快速從頭軟 件。它也有一個令人印象深刻的功能列表，并且還產生了出版物 - Ready圖形。圖6示出了此分析軟件包的功率，并獲得的數據時，在接近瞬時的鈣的細胞內的波動。請注意，X軸是時間和更迅速的細胞訊問，更有意義的數 據。它也有一個令人印象深刻的新功能列 表，也生成直接用于發表的圖形。圖6展示了此分析軟件包的強大，對幾乎瞬時的細胞內鈣波動獲得的數據。請注意，X軸是時間，細胞檢測的越快，數據越有意義。

請注意，FCS Express已經適應了它們的圖像分析軟件，這一類型數據不斷涌現，因此如果一個人要從儀器上生成數據，必須留心，需匹配軟件的數據類型。

 

FCS從頭分析軟件  

       總結軟件部分，流式細胞儀會產生海量的數據。 導出的FCS標準數據能夠直接與不同儀器中的結果進行整合。儀器特異性的和儀器通用的分析軟件包給新用戶的是安全感的假象。要生成大量的數據并不難，但如 果我要試圖解釋這些數據，實驗的、收集的和分析的變量卻是無窮的。要學習如何選擇正確的試劑，適當的處理細胞，設置儀器優化您的應用程序，補償和運行恰 當的控制，闡明數據的意義，這些技能的獲得都需要耗費時間。除非你不打算運行四個以上的熒光染料并且所有的染色都是在細胞表面，跟有經驗的使用者緊 密合作，能避免所有自學者犯的常見錯誤。如果你打算做細胞分揀并希望zui后保留活細胞，這些是尤為重要的。

總結

       請看表I列出的30多種流式細胞的應用。找出zui接近您的研究興趣的一個，然后在PubMed 或谷歌學術上做快速的文獻檢索。確保"cytometry"為關鍵詞。留心在zui近的幾篇文章中數據的展示方式，了解試劑的數量，所用儀器的復雜性，以及數 據是如何被呈現出來的。然后回到本文中，看看我界定的新用戶和有經驗的用戶可能會面臨的所有潛在風險。對流式細胞儀的分析時間，試劑（和同種型對照，補償 珠，以及其他試劑和緩沖液）的成本做出估計。然后根據您的特定需要對其進行修訂，安排少數有經驗的使用者運行程序。這是我希望給那些剛進入該領域或者將要 開展從簡單分析到復雜多色實驗的使用者推薦的zui低限度的準備。

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