創(chuàng)新型細(xì)胞模型在藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域異軍突起，而活細(xì)胞成像已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，可為細(xì)胞數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)信息捕獲提供寶貴見(jiàn)解。盡管對(duì)于許多研究人員來(lái)說(shuō)， 檢測(cè)讀數(shù)被奉為“頓悟時(shí)刻”，但必須強(qiáng)調(diào)的是，細(xì)胞培養(yǎng)隨時(shí)間變化的可視化對(duì)于分析質(zhì)量控制以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出同樣至關(guān)重要。 Horbach 等人 2  在 2017 年發(fā)表的論文中強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)的重要性，論文指出：超過(guò) 30,000 項(xiàng)研究中存在未識(shí)別的細(xì)胞系。隨著科學(xué)界開(kāi)始注重提高體外模型的嚴(yán)謹(jǐn)性和可重復(fù)性 3 ，活細(xì)胞監(jiān)測(cè)可為分析質(zhì)量和準(zhǔn)確度提供獨(dú)特的機(jī)遇。

作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，活細(xì)胞成像和分析是一種通用技術(shù)，不論是否含有標(biāo)記，都可以根據(jù)研究需要測(cè)量不同參數(shù)。無(wú)標(biāo)記方法可避免與常規(guī)熒光顯微鏡相關(guān)的潛在光毒性對(duì)細(xì)胞的破壞作用 4 ，它在整個(gè)細(xì)胞培養(yǎng)工作流程中對(duì)細(xì)胞質(zhì)量控制起著至關(guān)重要的作用。例如，無(wú)標(biāo)記活細(xì)胞成像可以通過(guò)檢測(cè)孔表面細(xì)胞覆蓋率的變化，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)細(xì)胞數(shù)周甚至數(shù)月，從而提供定量的匯合度和形態(tài)信息。此外，無(wú)標(biāo)記成像提供單個(gè)細(xì)胞分析，可以測(cè)量單個(gè)細(xì)胞的動(dòng)力學(xué)和關(guān)鍵形態(tài)變化，從而表征異質(zhì)群體中的細(xì)胞行為。

細(xì)胞成像標(biāo)記方法可檢測(cè)動(dòng)態(tài)的生物學(xué)變化，而這些變化目前是無(wú)法使用無(wú)標(biāo)記分析方法捕獲的。例如，活細(xì)胞免疫細(xì)胞化學(xué)（ICC）可以檢測(cè)與特定細(xì)胞發(fā)育階段相關(guān)的特定表面蛋白表達(dá)的變化，從而檢測(cè)重要的細(xì)胞相互作用和狀態(tài)，并將其與時(shí)間點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)。將活細(xì)胞成像和分析與 ICC 等補(bǔ)充技術(shù)相結(jié)合，可以獲得更多信息；例如通過(guò)測(cè)量功能和形態(tài)變化可以使研究人員為培養(yǎng)操作創(chuàng)建簽名。

此外，活細(xì)胞成像還可利用與特定應(yīng)用緊密相關(guān)的技術(shù)。例如，活細(xì)胞成像可以使用明場(chǎng)光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)較大不透明結(jié)構(gòu)的觀察，這對(duì)于監(jiān)測(cè) 3D 結(jié)構(gòu)和球體來(lái)說(shuō)十分理想；同時(shí)可以使用不同的試劑來(lái)檢測(cè)細(xì)胞的健康狀況，例如細(xì)胞凋亡、細(xì)胞毒性和增殖分析。

前沿的細(xì)胞培養(yǎng)檢測(cè)方法可以在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多種操作。因此，為了做出有關(guān)細(xì)胞培養(yǎng)的明智決定，必須了解生物學(xué)過(guò)程的時(shí)間線。最終，可靠的細(xì)胞培養(yǎng)質(zhì)量控制可確保模型從一開(kāi)始就處于最佳狀態(tài)，進(jìn)而驗(yàn)證并改善檢測(cè)結(jié)果。將多參數(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和細(xì)胞健康措施集成到細(xì)胞培養(yǎng)工作流程中，可以為科學(xué)家提供更多的見(jiàn)解。

由于神經(jīng)系統(tǒng)疾病具有復(fù)雜性和時(shí)間動(dòng)態(tài)特性，因此開(kāi)發(fā)生理相關(guān)模型以測(cè)試該領(lǐng)域的新療法頗具挑戰(zhàn)性。在提供有關(guān)這些疾病發(fā)病機(jī)理的重要見(jiàn)解時(shí)，體外模型為篩選潛在藥理藥物提供了一種有力的方法 5。但研究神經(jīng)系統(tǒng)疾病推定治療方法的科學(xué)家必須確定其細(xì)胞培養(yǎng)的最優(yōu)化；同時(shí)由于表型分析可能涉及多種操作，因此必須確保各個(gè)階段的質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)化。

在神經(jīng)元發(fā)育過(guò)程中，神經(jīng)元會(huì)在較長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)擴(kuò)展分化為樹(shù)突和軸突（神經(jīng)突），因此神經(jīng)元分析可能需要數(shù)周甚至數(shù)月的時(shí)間（在使用干細(xì)胞時(shí)）發(fā)育和操作。依靠常規(guī)技術(shù)提供的預(yù)定終點(diǎn)結(jié)果，可能會(huì)遺漏或無(wú)法準(zhǔn)確確定關(guān)鍵的生物學(xué)事件?；罴?xì)胞成像是一種強(qiáng)大的監(jiān)測(cè)工具，可捕獲在神經(jīng)元發(fā)育和惡化以及活性藥物作用期間發(fā)生的細(xì)微形態(tài)波動(dòng)。活細(xì)胞成像是一種必要的質(zhì)量控制方法，它能夠在開(kāi)發(fā)神經(jīng)退行性疾病的體外模型（例如阿爾茨海默氏病和亨廷頓氏?。r(shí)，提供敏銳的時(shí)空洞察力，此外還支持神經(jīng)元發(fā)育因素研究 6–8。

通過(guò)使用無(wú)標(biāo)記多參數(shù)測(cè)量，活細(xì)胞成像和分析可以量化神經(jīng)突的發(fā)育（長(zhǎng)度、分支點(diǎn)）、細(xì)胞遷移和增殖。將這些數(shù)據(jù)相結(jié)合，可表征和確認(rèn)隨時(shí)間變化的分化階段（圖 2）。將相差成像與不受干擾的核限制性熒光團(tuán)相結(jié)合，能夠?yàn)榧?xì)胞周期事件帶來(lái)更深入的信息。例如，用神經(jīng)突生長(zhǎng)和核分裂的持續(xù)監(jiān)測(cè)指代分化，科學(xué)家可以確定其分化實(shí)驗(yàn)是否成功，并客觀確定其神經(jīng)元培養(yǎng)物的發(fā)育階段，從而使他們前進(jìn)到下一個(gè)實(shí)驗(yàn)階段。如下所示， 隨著時(shí)間的推移，神經(jīng)突生長(zhǎng)的增加和細(xì)胞分裂的減少表明神經(jīng)元分化（圖2A 和 C）。

創(chuàng)新免疫學(xué)研究中使用的細(xì)胞培養(yǎng)非常復(fù)雜，通常涉及多種操作，其中質(zhì)量控制是各個(gè)階段成功的基礎(chǔ)。對(duì)外周血單核細(xì)胞（PBMC）等免疫細(xì)胞活性的了解對(duì)于探索宿主防御機(jī)制和疾病發(fā)病機(jī)理以及進(jìn)行免疫療法的毒理檢測(cè)至關(guān)重要。免疫細(xì)胞活化是科學(xué)家研究體外適應(yīng)性免疫反應(yīng)的關(guān)鍵操作階段； PBMC 可以通過(guò)不同的細(xì)胞因子和抗體來(lái)刺激免疫細(xì)胞的活化。

活細(xì)胞 ICC 可隨時(shí)間變化跟蹤蛋白質(zhì)定位的動(dòng)態(tài)變化，而像常規(guī) ICC 僅局限于單個(gè)時(shí)間點(diǎn)。無(wú)標(biāo)記成像還可以捕捉細(xì)胞形狀和結(jié)構(gòu)的變化，包括細(xì)胞偏心率和伸長(zhǎng)率。跟蹤這些形態(tài)變化可以掌握細(xì)胞健康狀況以及信號(hào)傳導(dǎo)調(diào)制 9。

通過(guò)將 CD71+ 蛋白表達(dá)與無(wú)標(biāo)記相差成像相結(jié)合， PBMC的活化能夠與時(shí)間依賴的形態(tài)變化相聯(lián)系，例如細(xì)胞大小和形狀（圖 3）?；罴?xì)胞 ICC 還可以識(shí)別異質(zhì)細(xì)胞群中不同的細(xì)胞亞群，通過(guò)使用多個(gè)標(biāo)記，不同的細(xì)胞類型及其與靶標(biāo)的相互作用也可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)和表征。

鑒于 iPSC 模型能夠重現(xiàn)患者特定表型，因而它在神經(jīng)科學(xué)、免疫學(xué)和腫瘤學(xué)領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注。iPSC 模型之所以廣受歡迎，是因?yàn)樗梢援a(chǎn)生大量人源化疾病模型，有助于細(xì)胞修復(fù)遺傳機(jī)制以及高通量藥物篩選應(yīng)用的研究 10。 iPSC 還可以用于個(gè)體化治療，iPSC 衍生的細(xì)胞有助于評(píng)估藥物對(duì)個(gè)體基因組表型的作用。

與在胚胎發(fā)育過(guò)程中發(fā)育的人類胚胎干細(xì)胞不同的是， iPSC 是人工衍生的多能細(xì)胞。iPSC 是用于疾病建模和發(fā)育研究必不可少的工具，在功能篩選分析方面具有巨大潛力10,11。通過(guò)將干細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子引入未成熟或成熟的體細(xì)胞類型中，能夠從已經(jīng)分化的細(xì)胞類型中創(chuàng)建 iPSC。

體細(xì)胞重編程能夠?yàn)閯?chuàng)新型研究制造寶貴的 iPSC，但同時(shí)也為細(xì)胞質(zhì)量控制帶來(lái)了全新的技術(shù)挑戰(zhàn)與要求。盡管已證明這一技術(shù)十分成功，但在 0.00001-1% 之間的轉(zhuǎn)化率使細(xì)胞重編程成為相對(duì)罕見(jiàn)的事件，從而難以檢測(cè)和確認(rèn)。

編程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，可能需要數(shù)周甚至數(shù)月才能完成；同時(shí)在整個(gè)時(shí)間過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)所有細(xì)胞的可視化，因而細(xì)胞事件可能會(huì)丟失或被誤解，導(dǎo)致時(shí)間和資源的浪費(fèi)?？傊?，從體細(xì)胞重編程到 iPSC 分化的整個(gè)過(guò)程中，持續(xù)監(jiān)測(cè)細(xì)胞有助于確保結(jié)果的可信度。

包含活細(xì)胞分析的質(zhì)量控制監(jiān)測(cè)可在更長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，讓研究人員能夠檢測(cè)和表征極為罕見(jiàn)的事件。此外，它還能夠拍攝整板，讓用戶看到重編程事件（例如克隆形成），在建立克隆之前確保其質(zhì)量?？梢允褂脽o(wú)標(biāo)記成像跟蹤克隆的形成，這種成像可以顯示克隆的形態(tài)、大小和生長(zhǎng)特征（圖 4A）。對(duì)于發(fā)育和再生醫(yī)學(xué)中使用的 iPSC，持續(xù)穩(wěn)定的多能性是必要的。監(jiān)測(cè) iPSC 克隆的形成，以及使用 ICC 標(biāo)記多能性標(biāo)志物（例如 SSEA4 和 OCT4）測(cè)試已分離的樣品，這可以為開(kāi)發(fā) iPSC 的科學(xué)家提供數(shù)據(jù)支撐（圖 4B）。

iPSC 模型的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，它們可以開(kāi)發(fā)大腦等組織的人源化模型，因?yàn)檫@些組織通常在原位難以獲得。通過(guò)利用活細(xì)胞監(jiān)測(cè)來(lái)獲得融合度測(cè)量結(jié)果并觀察神經(jīng)元成熟所特有的形態(tài)變化，可以監(jiān)測(cè)出現(xiàn)的克隆發(fā)展（圖 5）。在體外iPSC 衍生的疾病模型中，細(xì)胞發(fā)育和形態(tài)變化的軌跡可能是多變的，并且隨著時(shí)間的推移，偶然累積的細(xì)微變化可能導(dǎo)致不良表型效應(yīng) 12。因此，應(yīng)在各個(gè)階段進(jìn)行質(zhì)量控制以監(jiān)測(cè)神經(jīng)元細(xì)胞系的健康和功能。

三維（3D）細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)的創(chuàng)建是藥物發(fā)現(xiàn)和組織工程研究的重點(diǎn)。這些技術(shù)證明體內(nèi)環(huán)境復(fù)雜性和可翻譯性增加，并且與 2D 結(jié)構(gòu)相比，長(zhǎng)期傳代后 3D 結(jié)構(gòu)中的細(xì)胞通常可以更好地保持分化和克隆擴(kuò)增。與 2D 結(jié)構(gòu)相比，3D 結(jié)構(gòu)可以提供更多與體內(nèi)相關(guān)的、轉(zhuǎn)譯的體外模型，因而受到廣泛關(guān)注。諸如多球體和類器官等先進(jìn)的 3D 結(jié)構(gòu)可以更好地復(fù)制體內(nèi)細(xì)胞環(huán)境和器官的微結(jié)構(gòu)，在腫瘤學(xué)和肝毒性領(lǐng)域顯示出巨大潛力。

根據(jù)細(xì)胞和組織來(lái)源以及實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?D 培養(yǎng)物可以使用無(wú)支架或基于支架的培養(yǎng)系統(tǒng)。制備球體的無(wú)支架方法可提供相對(duì)簡(jiǎn)單的 3D 細(xì)胞培養(yǎng)途徑，能夠應(yīng)用于廣泛的細(xì)胞類型，因而廣受歡迎。廣義上講， 無(wú)支架技術(shù)可分為如下方法，一種是動(dòng)態(tài)的方法，即不斷攪拌懸浮液中的細(xì)胞以形成聚體；另一種是靜態(tài)的方法，即在重力作用下發(fā)生聚集 13。這些過(guò)程可促進(jìn)細(xì)胞間粘附，同時(shí)誘導(dǎo)多細(xì)胞球體的自組裝，從而分泌其自身細(xì)胞外基質(zhì)成分（ECM）。

相反，基于支架的球體系統(tǒng)模仿天然 ECM，并復(fù)制特定組織的微環(huán)境， 以促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和遷移 14。支架可以由許多不同的合成和生物材料制成，例如微載體、微圖案板乃至復(fù)雜的微流控系統(tǒng)?；蛘呤?Matrigel? 等天然 ECM 凝膠以及水凝膠等聚合物結(jié)構(gòu)可提供結(jié)構(gòu)基質(zhì) 15 ，其中膠原蛋白、層粘連蛋白或藻酸鹽可用于構(gòu)建由纖維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的預(yù)制支架，細(xì)胞可以通過(guò)這種支架輕松遷移 16。 ECM 和基質(zhì)細(xì)胞支架可以更貼近腫瘤微環(huán)境，因此提高了用于檢測(cè)化合物的球體檢測(cè)的預(yù)測(cè)精度。

盡管這些技術(shù)應(yīng)用于眾多研究領(lǐng)域之中，但可重復(fù)且統(tǒng)一的 3D 球體檢測(cè)在技術(shù)上極富挑戰(zhàn)性，和時(shí)間上的不可預(yù)測(cè)性。此外，  與 2D 培養(yǎng)細(xì)胞相比，除了在結(jié)構(gòu)上具有多樣性， 3D 模型還表現(xiàn)出更復(fù)雜的形態(tài)和功能，凸顯了培養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)方案和分析的標(biāo)準(zhǔn)化需求。

活細(xì)胞監(jiān)測(cè)為 3D 細(xì)胞培養(yǎng)和分析的復(fù)雜工作流程提供了解決方案。通過(guò)使用活細(xì)胞成像對(duì)球體的發(fā)生進(jìn)行監(jiān)測(cè)和質(zhì)量控制，科學(xué)家可以提高他們對(duì)球體形成的了解。它還能夠?qū)崿F(xiàn)球體生長(zhǎng)和發(fā)展的可視化，測(cè)量球體大小、形狀和均勻性，讓研究人員能夠評(píng)估諸如 ECM 類型以及共培養(yǎng)等最佳生長(zhǎng)條件（圖 6）。

高級(jí)細(xì)胞培養(yǎng)在基礎(chǔ)科學(xué)、疾病建模和新型療法開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的眾多應(yīng)用中具有光明的前景。面對(duì)不斷增長(zhǎng)的藥物消耗率，模擬生物學(xué)發(fā)育和疾病狀態(tài)的細(xì)胞培養(yǎng)在加快藥物發(fā)現(xiàn)過(guò)程方面具有巨大潛力。

類器官是一種快速發(fā)展的體外 3D 細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，展示了器官特異性細(xì)胞類型的真實(shí)組織學(xué)結(jié)構(gòu)，并且可以像在體內(nèi)一樣進(jìn)行發(fā)育和自組織 17。我們正在開(kāi)發(fā)這些前沿的 3D 結(jié)構(gòu)，以更加模擬器官功能，在吸收、分布、代謝、排泄和毒理學(xué)（ADME-tox）藥物篩選實(shí)驗(yàn)中提供更高臨床相關(guān)性的細(xì)胞學(xué)數(shù)據(jù)。

“器官芯片”是另一種先進(jìn)且復(fù)雜的細(xì)胞應(yīng)用，該技術(shù)可在微流細(xì)胞培養(yǎng)芯片上容納人體器官的微型模型。這些芯片可以通過(guò)重建人體器官的微環(huán)境、結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜性來(lái)產(chǎn)生與臨床相關(guān)的疾病表型和藥理反應(yīng)。微流平臺(tái)可連接來(lái)自多個(gè)器官的細(xì)胞培養(yǎng)物，從而重現(xiàn)“人體芯片”，以評(píng)估多系統(tǒng)中藥物的效果。通過(guò)優(yōu)化各個(gè)組件的質(zhì)量控制，這種相互聯(lián)系的高級(jí)細(xì)胞培養(yǎng)方法可以提供眾多優(yōu)勢(shì)。對(duì)于在構(gòu)造過(guò)程中使用復(fù)雜 3D 結(jié)構(gòu)以及患者來(lái)源 iPSC 時(shí)，這種方法尤其有效。

鑒于這種高級(jí)細(xì)胞培養(yǎng)會(huì)在未來(lái)的個(gè)性化治療中發(fā)揮關(guān)鍵作用，因此質(zhì)量控制必須確?；颊叩陌踩蛿?shù)據(jù)的完整性。隨著技術(shù)的進(jìn)步，在細(xì)胞生產(chǎn)的各個(gè)階段進(jìn)行 3D 細(xì)胞培養(yǎng)的質(zhì)量控制將提高細(xì)胞質(zhì)量、數(shù)量和功效，從而使“細(xì)胞療法”成為現(xiàn)實(shí)。

在尋找針對(duì)癌癥、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、心力衰竭以及其他罕見(jiàn)疾病的新治療方法競(jìng)賽中，利用 CRISPR/Cas 技術(shù)進(jìn)行基因編輯已成為一個(gè)強(qiáng)有力的參賽選手。隨著該應(yīng)用的擴(kuò)展，我們亟需監(jiān)測(cè)細(xì)胞培養(yǎng)，從而評(píng)估時(shí)間和空間下游脫靶效應(yīng) 18?；罴?xì)胞成像和分析是一種實(shí)用的解決方案，能夠識(shí)別細(xì)胞行為的變化，允許對(duì)脫靶效應(yīng)及其原因進(jìn)行研究，彌補(bǔ)了其他分析技術(shù)的不足。

高級(jí)細(xì)胞培養(yǎng)檢測(cè)的發(fā)展為眾多領(lǐng)域帶來(lái)了希望，但是良好和持續(xù)的質(zhì)量控制才是成功的決定因素?；罴?xì)胞分析將自動(dòng)捕獲、多參數(shù)數(shù)據(jù)分析與 AI 或機(jī)器學(xué)習(xí)工作流程實(shí)時(shí)結(jié)合，能夠從檢測(cè)中獲得知識(shí)和檢測(cè)趨勢(shì)。活細(xì)胞分析無(wú)需使用預(yù)定義參數(shù)即可捕獲、監(jiān)測(cè)和分析數(shù)據(jù)，已經(jīng)成為前沿細(xì)胞模型的黃金標(biāo)準(zhǔn)。

活細(xì)胞成像和分析可確保分析質(zhì)量，能夠在細(xì)胞分析工作流程的各個(gè)階段為科學(xué)家提供幫助。在研究過(guò)程中不斷監(jiān)測(cè)細(xì)胞培養(yǎng)可以增進(jìn)對(duì)細(xì)胞事件的理解；通過(guò)回顧性評(píng)估圖像，科學(xué)家能夠做出更明智的決定。我們投入了大量時(shí)間和資金開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)方法，而活細(xì)胞監(jiān)測(cè)能夠確保資源的有效利用，其非侵入性和細(xì)胞節(jié)省特性進(jìn)一步強(qiáng)化了資源利用率。

此外，活細(xì)胞分析可對(duì)細(xì)胞進(jìn)行預(yù)處理標(biāo)準(zhǔn)化，從而進(jìn)一步提高檢測(cè)的穩(wěn)定性，準(zhǔn)確表征微小變化?？茖W(xué)家們需要信任自己的數(shù)據(jù)并盡最大努力取得成功，同時(shí)還要降低研究失敗的風(fēng)險(xiǎn)，而活細(xì)胞監(jiān)測(cè)將為這些目標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。