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微納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的設(shè)計和使用一直受到研究者的廣泛關(guān)注。賦予微納米材料新穎的結(jié)構(gòu)與功能，使其具有良好的生物安全性和生物相容性已經(jīng)成為現(xiàn)在微納米生物材料的重要發(fā)展方向?，F(xiàn)今，微納米材料的研究橫跨包括藥物載體設(shè)計、基因治療、疫苗開發(fā)、臨床前診斷、組織工程以及高通量篩選等諸多領(lǐng)域。
高內(nèi)涵細(xì)胞成像分析系統(tǒng)作為細(xì)胞學(xué)水平的重要研究工具，貫穿微納米細(xì)胞表征的諸多環(huán)節(jié)，在單一實(shí)驗中可以同步表征細(xì)胞對微納米材料的攝取、靶蛋白表達(dá)強(qiáng)度差異以及細(xì)胞與亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的相關(guān)表型，基于圖像獲取客觀可靠的統(tǒng)計分析結(jié)果，具體應(yīng)用實(shí)例如下：
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微納米材料的細(xì)胞攝取
由于微納米材料的多樣性導(dǎo)致不同材料具有不同的理化性質(zhì)，這些性質(zhì)會直接或間接影響微納米材料與細(xì)胞之間的相互作用。實(shí)驗中通過尺寸、組成和表面物理化學(xué)性質(zhì)的調(diào)控可以調(diào)節(jié)細(xì)胞對不同材料的攝取情況，通常微納米材料通過巨胞飲或者受體介導(dǎo)的內(nèi)吞途徑被目標(biāo)細(xì)胞攝取，并進(jìn)一步發(fā)揮功能。如圖1所示，研究團(tuán)隊設(shè)計了一種可以靶向巨噬細(xì)胞的金屬有機(jī)框架納米藥物Que@MOF/Man，通過Ce6標(biāo)記后可以通過高內(nèi)涵細(xì)胞成像系統(tǒng)和流式細(xì)胞儀檢測不同細(xì)胞對納米藥物的吞噬能力。實(shí)驗結(jié)果表明，修飾甘露糖（Man）的納米藥物可以特異的被巨噬細(xì)胞選擇性攝取，相比心肌細(xì)胞攝取率有30倍的提升。
圖1：Ce6@MOF/Man的體外靶向能力和巨噬細(xì)胞特異性細(xì)胞攝取
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細(xì)胞運(yùn)動能力評估
工程化的微納米材料由于尺寸、形狀、表面電荷、官能團(tuán)等內(nèi)在的物理化學(xué)性質(zhì)對各種生物都有一定的毒性，需要進(jìn)行生物相容性的評估。不但安全性的評價得到深入廣泛的研究，降低或者消除使用過程的副作用也成為重要的研究方向之一。
高內(nèi)涵的無標(biāo)記分析模塊可以進(jìn)行長時間動態(tài)觀察，通過Harmony軟件追蹤微納米材料和細(xì)胞共培養(yǎng)后細(xì)胞的運(yùn)動軌跡，獲得單細(xì)胞的位移參數(shù)，比較不同實(shí)驗組的增殖遷移情況。如圖2所示，三聯(lián)吡啶（tPy）修飾Cy7雜環(huán)氮原子的分子（CydtPy）與金屬離子螯合可實(shí)現(xiàn)光物理性質(zhì)的調(diào)控，在與Fe2+螯合時可以引發(fā)細(xì)胞內(nèi)芬頓反應(yīng)的發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)CDT/PTT的協(xié)同治療效果，通過高內(nèi)涵的無標(biāo)記模式可以進(jìn)行細(xì)胞的長時間追蹤，從而評價腫瘤細(xì)胞在不同處理下的運(yùn)動能力，實(shí)驗結(jié)果表明光熱結(jié)合化學(xué)動力療法可以有效抑制腫瘤細(xì)胞的遷移。
圖2：LET-11-Fe對細(xì)胞遷移的影響
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細(xì)胞表型變化研究
細(xì)胞表型是涉及基因和蛋白表達(dá)的多個細(xì)胞過程的集合體，這些過程導(dǎo)致細(xì)胞特定的形態(tài)和功能改變。微納米顆粒被細(xì)胞攝取后會引起細(xì)胞表型發(fā)生變化，例如形態(tài)，周期，增殖，凋亡，遷移，自噬等。配合不同染色方案進(jìn)行高內(nèi)涵細(xì)胞成像，可在單細(xì)胞水平進(jìn)行差異化分析，得到多參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果。利用高內(nèi)涵細(xì)胞成像進(jìn)行細(xì)胞免疫熒光拍攝和熒光定量分析是微納米材料引起細(xì)胞表型改變的重要評價手段，如圖3-4所示。
圖3：不同濃度的rHAP調(diào)控rBMMSCs的成骨和巨噬細(xì)胞的極化
圖4：不同處理下A375細(xì)胞anti-α-tubulin(綠色)和anti-HIF-1α(紅色)的免疫熒光圖像及定量強(qiáng)度分析
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納米顆粒的滲透表征
評價納米顆粒浸潤組織微環(huán)境的能力，研究人員可以首先構(gòu)建3D微組織模型，再將熒光標(biāo)記的微納米材料與3D微組織共培養(yǎng)一定時間，配合高內(nèi)涵細(xì)胞成像系統(tǒng)進(jìn)行層掃完成圖像的拍攝?；谂臄z圖像可以通過Harmony軟件對微組織的最大亮度投影進(jìn)行區(qū)域劃分，針對3D微組織中心區(qū)域進(jìn)行熒光定量分析，從而比較不同納米顆粒的滲透能力，如圖5所示。
圖5：聲波促進(jìn)納米顆粒浸潤微組織內(nèi)部
高內(nèi)涵細(xì)胞成像與分析系統(tǒng)（HCS，High-content screening）是指在保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能完整性的前提下，通過自動化細(xì)胞成像分析的方法，對多孔板的每一個孔的目的細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞水平的狀態(tài)、變化等多參數(shù)的、總體趨勢的分析。在單一實(shí)驗中同步獲取細(xì)胞內(nèi)靶蛋白的空間/時間分布、表達(dá)強(qiáng)度、細(xì)胞與細(xì)胞器的形態(tài)和復(fù)雜表型、多種細(xì)胞亞群的分類等方面的高可靠性的具有統(tǒng)計學(xué)意義的分析結(jié)果，同時去除其它細(xì)胞與人為誤差的干擾。HCS的結(jié)果由圖像分析所得，兼顧了直觀與批量統(tǒng)計定量的優(yōu)點(diǎn)，同時輸出單細(xì)胞和群體細(xì)胞的結(jié)果。
參考文獻(xiàn)
1. Hu, Danrong, et al. "Inflammation‐Targeted Nanomedicines Alleviate Oxidative Stress and Reprogram Macrophages Polarization for Myocardial Infarction Treatment." Advanced Science (2024): 2308910.
2. Zhu, Junfei, et al. "Terpyridine-grafted nitrogen-terminal endowing cyanine with metal-ion-regulated photophysical properties for cancer theranostics." Research 6 (2023): 0061.
