什么是流式细胞术？
在流式细胞仪中，细胞或其他生物颗粒排成一列，高速流过相互作用区，被一束或多束聚焦的激光束激发。仪器会为每个细胞记录由此产生的激发荧光强度，通常是散射光强度。在计数仪器中，这种方法能够快速分析大量细胞，比如了解某个类型或多种类型细胞的百分比。如果配置了分选功能，仪器会再次根据每个细胞的荧光/散射特征，通过电场将靶向细胞偏转到容器中，从而单独收集这些细胞。
流式细胞术的特点就是速度快，适合许多不同的应用。它广泛用于医学领域的血细胞分析，例如全血细胞计数 (CBC)。此外，它还用于进行实验研究和药物检测，通常用于分析血细胞以外的其他哺乳动物细胞。它有时还会用于研究海水中的微生物，并能够对畜牧业动物的精子进行性别分类，从而有利于奶牛产下雌性后代。
使用更多波长和紫外波长
尽管流式细胞术已经问世几十年，但它仍然是一个充满活力的领域。“多参数流式细胞仪”是一个发展趋势，这种仪器使用多达 12 种不同的激光波长来分析细胞中的不同参数。激光器制造商致力于提供新波长的通用型激光器，并将多个波长激光器封装在一体化光引擎中，为这一趋势的发展做出重要贡献。（Coherent OBIS 产品线体现了这两种发展趋势。）
还有一个发展趋势是越来越多地使用紫外波长。紫外波长可以获得更多参数，并且还支持自发荧光。这是指在细胞中发现的物质在不使用荧光染料或其他添加剂的情况下,自然发出荧光。这些物质包括一些重要的代谢物，例如 NAD(P)H 和 FAD。
研究人员借此取得新的突破
在前面讲述的 Coherent 高意成功案例中，我们介绍了开发和使用时间分辨流式细胞术的拓荒科学家，即新墨西哥州立大学 Jessica Houston 教授的研究团队。我们讨论了为什么他们研究 NAD(P)Hand FAD；这种细胞不但可以计数，还可以确定它的代谢状况。Houston 博士解释说：“大多数流式细胞术测量基于荧光信号的强度。但有很多因素可能会给这种测量方法带来干扰和误差，包括有多少荧光染料与细胞表面或内部结合。我们还决定测量每个细胞荧光信号的衰减时间。寿命与浓度无关，而是取决于荧光染料或自发荧光的天然（内源性）材料的化学状态。内源荧光可以为我们提供独特的细胞代谢状况信息。例如，我们可以利用这些信息来评估某个细胞是正常细胞还是转化细胞（癌细胞）。”
他们对 NAD(P)H 和 FAD 特别感兴趣，因为这些辅因子的荧光寿命，可以表征它们是否与蛋白质结合。而这又可以表明细胞如何氧化糖来获取能量，主要是通过所谓的氧化磷酸化和糖酵解过程。报告显示，在许多癌细胞以及其他“缺陷”或受损细胞中，测量到的“游离”、未结合的 NAD(P)H 水平很高，这表明细胞正在通过“糖酵解”这种低效过程产生能量。通过光学方式测量的 FAD 量与 NAD(P)H 量比表示细胞内的代谢活性，也就是氧化还原比。
连续激光器的使用技巧
起初，Houston 团队使用激光脉冲来获取与时间相关的数据。然后，仪器用下面两种方法中的一种记录荧光脉冲的衰减。一种方法是采用关闭激光时的实时衰减曲线，另一种方法是采用激光以超高速度重复调制时的频域信号。该团队采用后一种方法来使用波长为 375 nm 的 OBIS 激光器监测 FAD。但要准确确定完整的氧化还原比，理想情况下，需要同时测量 FAD 和 NAD(P)H。要独立测量 NAD(P)H 荧光衰减时间，则需要在 349 nm 左右的紫外波段进一步激发。
nFLIC 方法的关键概念。当细胞穿过不均匀的光束剖面时，荧光会上升和下降。通过激发激光的相位延迟直接测量了荧光寿命。图片由 Houston 实验室提供。
最近，Coherent 高意为 Houston 团队提供了一种新型 OBIS 激光器，该激光器的输出波长为 349 nm。然而，它使用了与 375 nm 激光器不同的内部技术，并且直接调制并不那么简单。这对他们来说不是问题，因为几年前，该团队开发了一种叫做非调制荧光寿命细胞术 (nFLIC) 的巧妙技术，该技术使用连续 (CW) 激光来确定平均荧光寿命。
图 1 显示了其工作原理。通过 TEM00 模式输出光束的激光器，当细胞通过焦点时，激发概率会在高斯光束剖面中上升和下降。但非零荧光衰减时间会导致荧光脉冲延迟 (FPD)。当细胞通过光束时，荧光强度比高斯激发剖面衰减得更慢。Houston 团队经过严格的实验，证明了 FPD 可以有效表征细胞平均荧光寿命。
新型 OBIS 375 因其卓越的光束质量，在 Houston 实验室的 nFLIC 研究中表现出色。Houston 教授解释说：“首先，它具有干净优异的 TEM00 光束形状，这正是我们所需要的。而且，它还是一种噪声非常低的激光器。同样重要的是，功率、光束形状和光束指向都非常稳定。这一点非常重要，这能保证使用特殊的荧光微球，准确地校准荧光脉冲衰减和荧光寿命之间的关系。”
癌细胞耐药性
癌细胞是一个可怕的敌人，因为它们经常会对其他强大的化疗药物产生耐药性。在加拿大蒙特利尔召开的 CYTO 2023 会议上，Houston 实验室的一名研究生 Samantha Valentino 做了精彩演讲，他展示了时间分辨流式细胞术在确定 FAD/NADH 荧光寿命和氧化还原比方面的价值，该细胞术可以作为一种强大的工具来监测乳腺癌细胞对化疗药物“他莫昔芬”的耐药性。
有关 MCF 和 T47D 乳腺癌细胞的荧光寿命数据 – 敏感细胞系和耐药细胞系之间的对比。图片由 Houston 实验室提供。
她具体解释说，“他莫昔芬”是一种广泛使用的药物，可有效对抗“雌激素受体阳性”乳腺癌，常用于缓解病情。但是，在开始治疗后 2-5 年内，癌细胞往往会产生耐药性。Valentino 首先指出，在更具侵袭性的癌细胞（如耐药癌细胞）中，氧化还原比很难测量。她研究了两种不同的乳腺癌（MCF-7 和 T47D）。在这两种情况下，她对比了对“他莫昔芬”敏感的癌细胞系和对“他莫昔芬”耐药的细胞系。图 2 汇总了结果，表明他们的方法测量敏感细胞和耐药细胞在统计学上存在的显著差异。不言而喻，能够快速分析癌细胞群的耐药特征或将成为一种重要的新型抗癌方向：无论是进行药物检测和研究，还是针对患者提供改进的治疗方案，这种方向都极为重要。
总结
对于实现个性化医疗趋势而言，基于激光激发荧光的分析技术（例如流式细胞术、DNA 测序和显微组织活检）已成为越来越重要的工具，此前爆发的新冠疫情进一步加速了这一趋势。Coherent 坚定地致力于打造具备以下特点的激光工具来为这些技术的发展贡献自己的力量：提高分析速度和数据质量、减少使用障碍，并降低仪器的总体成本。
