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发布于 2024-01-08 / 20 阅读
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流式细胞术临床应用 第一章 临床流式细胞学概论

第一节 定义与内涵

一、定义

流式细胞术(flow cytometry,FCM)是以流式细胞仪为主要分析设备、对悬浮在液体环境中的单个活细胞进行分析测量的一种高难度检测技术,常简称为流式(flow)。流式细胞术自诞生以来,在生物医学领域即得到了广泛应用,在实验室诊断领域,它已经成为自基因诊断技术以来又一个崭新的高技术方法,填补了单细胞生物功能状态适时检测的空白。在临床医疗诊治活动中,常常利用流式细胞术对来源于临床患者、健康体检人群的各种标本(如血液、骨髓、胸腔积液、腹水、实体组织、血清等)中的细胞群进行分析,对存在于细胞表面或内部的蛋白质、细胞内的DNA或RNA,以及液体标本(如血清、血浆、脑脊液、胸腔积液、腹水等)中含有的蛋白质或多肽类物质等的含量进行测定,达到对疾病的辅助诊断与鉴别、病情判断、疗效监测和预后判断,以及对健康人群的亚健康诊断、某些易患疾病的发生风险评估等效果,在疾病的治疗、控制与预防中发挥重要作用。因此,流式细胞术的临床应用已经超越了流式细胞学测量技术诞生初期的定义,不仅用于细胞学测定,也用于以溶质性质存在于液态临床标本中的物质(如蛋白质、多肽等)的测量,因而在医学中展现了更为广阔的应用前景。

二、内涵

流式细胞术作为一门新兴实验室诊断技术,与临床血液学检验技术、临床生物化学检验技术、临床微生物检验技术、基因诊断技术等检验检测技术一样,包括检验前、检验中和检验后3部分。“检验前”包括相关检验标本的采集、运送与制备,涉及临床医师、患者或体检人员、护士、标本转运员、检验人员等的参与及配合,是保障临床流式细胞学检验质量的关键环节。“检验中”包括标本处理、上机测定、结果分析、检验报告等,也包括一系列确保流式检验质量而进行的相关质量控制措施,如室内质量控制和室间质量控制,以及仪器的光路与流路校正、操作、保养与维护技术等。“检验后”是指检验医师与临床医师及患者或体检人员之间,就流式检验报告展开的相互咨询,通过交流最大限度地提取流式检验报告所蕴含的医学信息,指导临床医疗活动,同时反馈流式检验报告的临床应用信息,便于建立健全流式检验项目,促进流式检验技术的健康发展。

第二节 常用染色方法

流式细胞仪可以对散射光和荧光信号进行采集和分析,其中的荧光信号对于某一次的具体检测而言是特异性的,可以是细胞或颗粒在激发光照射下产生的某种类型的自身荧光,也可以是标本处理过程中,按照检验人员意愿为细胞或颗粒表面或内部的某种特定物质(通常是蛋白质或核酸物质)标记上的荧光物质所发出的特异的荧光信号。使标本中的细胞或颗粒性物质带上某种荧光物质而具有遭受激光照射能够发出相应特异性荧光的处理过程及其全部工艺信息,即荧光染色技术。所使用的荧光物质也称荧光染料、荧光色素或荧光素。根据流式检验待检内容的性质,荧光染色技术又包括细胞免疫荧光染色技术、核酸荧光染色技术和新发展起来的荧光微球捕获染色技术。细胞免疫荧光染色技术被染色的检测对象是细胞,核酸荧光染色技术被染色的检测对象是核酸(包括DNA和RNA),荧光微球捕获染色技术被染色的检测对象则是以溶质形式存在于液体标本中的蛋白质或多肽等。

一、细胞免疫荧光染色

(一)细胞免疫荧光染色技术的基本原理

细胞免疫荧光染色技术是对细胞表面或内部某种蛋白质或多肽等进行荧光色素标记,借用流式细胞仪达到对细胞中该荧光色素标记靶蛋白质的有无及含量进行测定。

细胞免疫荧光染色技术使用事先被荧光色素标记好的靶蛋白的单克隆抗体(简称荧光标记抗体),与标本中的细胞混合,依靠抗原抗体结合反应的原理,使荧光标记抗体与细胞上的靶蛋白结合,使细胞被荧光染色。因此,细胞免疫荧光染色技术的本质是抗原抗体反应。

(二)细胞免疫荧光染色技术常用荧光染料及特性

1.异硫氰酸荧光素(fluorescein isothiocyanate,FITC)

FITC是流式细胞术中最常使用的荧光染料之一,分子量为389Da,最大吸收峰为495nm,用488nm的激发光照射后可以发出以520nm为最大峰值的绿色荧光。FITC具有很高的光子产量和能量转换效率,是一种优质的免疫荧光染料。将FITC以共价键方式标记到各种单克隆抗体上,在流式细胞术中得到广泛的应用。

2.藻红蛋白R(R-phycoerythrin,PE)

PE是存在于红藻中的一种可进行光合作用的自然荧光色素蛋白,每个分子含有34个藻红素色团,分子量为240kD,最大吸收峰为564nm,用488nm的激光照射后可以发出以578nm为最大峰值的黄色荧光,是一种理想的免疫荧光染料。

3.德州红(Texas Red)

德州红是硫罗丹明101的硫酰氯衍生物,分子量为625Da,最大吸收峰为596nm,用595~605nm范围的激光照射后可以发出以620nm为最大峰值的橙色荧光,与FITC的光谱无重叠。

4.藻红蛋白德州红偶联物(PE-Texas Red)

又被称为ECD,是藻红蛋白和德州红的偶联物。PE接收488nm的激光照射可以将能量转换给德州红,后者发出以620nm为最大峰值的橙色荧光。但是,ECD与PE之间光谱重叠较重,荧光补偿大,一般不使用ECD和PE进行双色荧光分析。

6.藻红蛋白-花青素复合物(phycoerythrin and cyanidin,PE-Cy5,简称PC5)

PC5是藻红蛋白(PE)和花青素(Cy5)的复合物,用488nm的激光照射后可以发出以667nm为最大峰值的红色荧光,且光子产量高,与PE之间的光谱重叠非常小。

7.叶绿素蛋白偶联物(PerCP-Cy5.5,简称PC5.5)

PC5.5是PerCP和花青素Cy5.5的偶联物结合物,用488nm的激光照射后可以发出以695nm为最大峰值的红色荧光。

8.别藻蓝蛋白(Allophycocyanin,APC)

是一种从蓝绿色水藻中分离出来的藻胆(色素)蛋白,与其他藻胆蛋白一样,它的生色团与蛋白质以共价键牢固结合在一起,赋予了其荧光性,用650nm的激光照射后可以发出以660nm为最大峰值的红色荧光。

(三)常见荧光染料的激发光和发射光波长

细胞免疫荧光染色技术常用荧光染料的激发光和发射光波长,见表1-1。

荧光染料中文名称荧光颜色激发光/nm最大发射光/nm常见应用
In do-1(bound to calcium)In do-1(与钙结合)蓝色335405钙流量检测
In do-1(unbound)In do-1(非结合的)蓝绿色335490钙流量检测
Alexa 350蓝色350442细胞分型、表达测定
Hoechst 33342烟酸己可碱33342蓝色350470DNA分析
DAPI4,6-二脒基-2-苯吲哚盐酸蓝色359462DNA分析
green Fluorescent protein, GFP绿色荧光蛋白绿色488510报告分子
YO-PRO-1绿色488510凋亡分析
Fluorescein isothiocyanate,FITC异硫氰酸荧光素绿色488525细胞分型、表达测定
Fluorescein diacetate醋酸荧光素黄绿色488530细胞活力
Alexa 488黄绿色488530细胞分型、表达测定
Sy to x Green黄绿色488530DNA分析
Fluo-3黄绿色488530钙流量检测
thiazole orange, TO吖啶橙黄绿色488530RNA分析
SNARF-1黄绿色488530~640pH测定
R-phycoerythrin, PE藻红蛋白R黄色488578细胞分型、表达测定
DsRED黄色488588报告分子
ethidium bromide, EB溴化乙锭橙色488603~610DNA分析
Propidium iodide, PI碘化丙啶橙色488610~620DNA分析
PE-Texas Red, ECD藻红蛋白-德州红偶联物橙色488620细胞分型、表达测定
PE-Cy5,PC5藻红蛋白-花青素5复合物红色488667细胞分型、表达测定
Per CP多甲藻叶绿素蛋白红色488677细胞分型、表达测定
PE-Cy7藻红蛋白-花青素7复合物深红色488785细胞分型、表达测定
Per CP-Cy 5.5叶绿素蛋白-花青素5.5复合物红色488695细胞分型、表达测定
Rhodamine 123若丹明,玫瑰红绿色515525膜电位测定
Yellow Fluorescent protein,YFP黄色荧光蛋白黄绿色519534报告分子
LDS-751深红色543712有核细胞测定
7-Amino actinomycin D7-氨基放线菌素D红色546655DNA分析
Alexa 546黄色546573细胞分型、表达测定
Cy3花青素3黄色550565细胞分型、表达测定
CMX Ros(Mi to tracker Red)橙色560610线粒体膜电位测定
Texas Red德州红橙色596615细胞分型、表达测定
TO -PRO-3红色643661DNA分析
Alexa 647红色647667细胞分型、表达测定
Allo phy co cyan in, APC别藻蓝蛋白红色650660细胞分型、表达测定
APC-Cy 7别藻蓝蛋白-花青素7复合物深红色650785细胞分型、表达测定

二、核酸荧光染色

(一)核酸荧光染色技术的基本原理

核酸荧光染色技术是指以特异性荧光染料对细胞核或细胞质内的核酸物质(如DNA和RNA)进行染色,通过测定细胞所发出的荧光强度,达到对细胞内DNA、RNA含量的测定,并可以对细胞周期和细胞增殖状况进溴化乙锭行分析的技术。核酸荧光染色技术的基本原理就是利用了特异性核酸荧光染料具有与DNA、RNA结合的特性。常用的DNA荧光染料如碘化丙啶、4,4,6-二脒基二苯基吲哚等,RNA荧光染料如噻唑橙、吖啶橙等。核酸荧光染料与DNA、RNA的结合方式有3种,即共价结合、嵌入结合和静电亲和。共价结合如FITC、PE和德州红等,嵌入结合如碘化丙啶、溴化乙锭等,静电亲和如吖啶橙等。上述结合方式中以嵌入式结合最为稳定,染料分子可以直接嵌入到核酸碱基对中,洗涤等处理不容易造成荧光分子丢失。

(二)核酸荧光染色技术常用荧光染料及特性

1.碘化丙啶(propyridine iodide,PI)

PI可以稳定嵌入DNA、RNA的双螺旋结构中,主要用于DNA染色,因此染色时需要同时使用RNA酶(RNAase)以降解细胞中的RNA成分,以排除RNA对DNA荧光定量测定的影响。用488nm的激光照射后可以发出610~620nm的橙色荧光,且荧光强度大,十分稳定。同时,PI不能透过活细胞膜,因此不能对活细胞核内的DNA进行染色,可用于鉴别死细胞。故利用PI对活细胞DNA染色必须事先对活细胞进行膜通透性处理,以便PI进入到细胞内。在细胞生物学领域,为了便于染料、荧光标记抗体等顺利进入细胞,而对细胞膜进行的旨在提高其膜通透性的处理,称为打孔(perforation)。

2.溴化乙锭(ethidium bromide,EB)

EB也可以稳定嵌入DNA、RNA的双螺旋结构中,主要用于DNA染色,因此染色时也需要同时使用RNA酶降解细胞内的RNA成分。用488nm的激光照射后可以发出603~610nm的橙色荧光,但发出的荧光强度不及PI。与PI一样,也可用于死细胞的鉴别,当用于活细胞DNA分析时,需要事先对细胞膜进行打孔,以提高膜的通透性。

3.吖啶橙(thiazole orange,TO)

TO是一种常用RNA染料,以静电亲和的方式与RNA结合,用488nm的激光照射后可以发出530nm的黄绿色荧光。TO量子产量高,染色过程简便,对细胞膜的通透性好,可直接用于活细胞内RNA的染色。而且TO的荧光强度与RNA含量之间存在良好的线性关系。

4.4,6-二脒基-2-苯吲哚盐酸(DAPI)

DAPI以非嵌入方式与DNA链上的A-T碱基对特异性结合,在紫外光源的激发下发射出蓝色荧光。其优点是所发出荧光的变异小,特别适合于对石蜡包埋组织DNA进行染色分析。

三、荧光微球捕获染色

荧光微球捕获染色技术是指利用含有不同荧光编码的微米级大小的聚苯乙烯微球,经过某种处理后与作为检测探针的特定生物分子(如DNA、抗体等)连接起来,与存在于液体中的待测靶分子(如DNA、蛋白质、多肽等)发生特异性结合反应,从而对待测靶分子进行流式细胞学检测的一种荧光染色技术。

(一)基本原理

  1. 制备一系列含有不同种类、不同量荧光色素的聚苯乙烯微球。这种荧光微球由于精确含有特定种类、特定量的荧光色素,被称为荧光编码聚苯乙烯微球,简称荧光编码微球或荧光微球。
  2. 按照待检对象的不同,设计相应的生物探针并连接到荧光编码微球的表面。如果待检测对象为某基因的SNPs位点,可以分别设计包含这些SNPs位点在内的互补DNA序列寡核苷酸探针,并将每一种不同SNP位点的DNA探针连接到不同的荧光编码微球表面;如果待检测对象为一组蛋白质,可以使用他们各自的特异性抗体作为生物探针,再将每一种作为探针的特异性抗体连接到不同的荧光编码微球表面。需要注意的是,为了尽量简化检测过程,如果待检测对象的性质相似,数量不多,可以尽量选择含有相同种类荧光色素但荧光色素含量不同的荧光编码微球进行实验,这样只需要一个流式细胞仪上的荧光通道,就可以同时区分荧光色素含量不同的荧光编码微球。
  3. 将标记了不同生物探针的荧光编码微球与待检测标本加入同一个反应体系中,荧光编码微球表面固定的生物探针即可捕获反应体系中存在的待检测对象。如果荧光编码微球上标记的是待检基因的某SNP位点互补DNA探针,检测对象可以是包含该SNP位点在内的某基因的PCR产物,由于PCR使用的引物上标记有特定的与荧光编码微球荧光色素不同的荧光染料,因此流式细胞仪可以以荧光编码微球的荧光色素和PCR产物上的荧光染料进行双参数分析,达到对多个甚至数十个SNP位点的同时检测。如果荧光编码微球上标记的是待检靶蛋白的特异性抗体,检测对象可以是血清、尿液、胸腔积液、腹水、脑脊液、关节液、泪液、细胞裂解上清液、细胞培养上清液等中的蛋白质或多肽等抗原物质,通过抗原抗体的特异性结合反应,荧光编码微球就可以捕获溶解在液体标本中的靶抗原,再加入与荧光编码微球使用的荧光色素不同的另外一种荧光染料标记的靶蛋白或靶多肽特异性抗体,同样可以在流式细胞仪上进行双参数分析,达到对靶抗原检测的目的。

如果在上述过程中,同时使用待检测对象(如细胞因子)的系列浓度标准品,即可制备标准曲线,达到定量分析的目的。

(二)方法学评价

1.扩大了流式细胞学检验技术的应用范围

流式细胞学检验技术是针对单个细胞或颗粒样物质的定量测定技术,无论是对核酸还是抗原的检测,都是基于细胞或颗粒样物质为背景的分析。荧光微球捕获染色技术的发现,为那些存在于液体中、以溶质身份出现的待测对象开辟了流式定量测定的新领域,如血清、尿液、胸腔积液、腹水、脑脊液、关节液、泪液等中的蛋白质或多肽等抗原物质的定量测定,目前已经开发出了如细胞因子组检测、TORCH产前检查、自身免疫测试、激素组检测、SNPs检测、病毒组检测等临床流式诊断试剂盒。

2.检测效率高

利用荧光微球捕获染色技术可以将含有相同种类荧光色素但荧光色素含量各异的一组荧光微球用来标记各种不同的生物探针,还可以用含有2~3种不同荧光色素的多组荧光微球用来标记不同类型的生物探针,结果只需要对临床标本的一次检测,就可以同时测定多项甚至数十项检验指标,检测效率大大提高,甚至可以与DNA芯片、蛋白质芯片相媲美。事实上,流式细胞术采用灵活多样的荧光微球组合,对多种生物信息指标进行检测,就是一种崭新的芯片技术,有科学家将之称为“液相芯片技术”。顾名思义,液相芯片技术就是指以荧光微球作为反应载体,在液相系统中完成生物学反应和测定,而DNA芯片、蛋白质芯片技术是将DNA或蛋白质固定在硅片、玻璃片或膜表面等固相支持物上进行的反应和分析测定。液相芯片技术由于在液相中进行反应和测定,对于蛋白质、多肽等空间构型与活性的保持,较DNA芯片、蛋白质芯片技术更为容易和方便,解决了困扰DNA芯片、蛋白质芯片的技术难题。

3.检测标本用量少

荧光微球捕获染色技术可以对临床微量体液标本进行流式细胞学检测,如脑脊液、泪液、关节液等,标本量达到50~100μl即可。

4.灵敏度高

液相芯片技术的灵敏度较ELISA技术高。

5.重复性好

液相芯片技术的重复性较ELISA技术好,线性范围更宽。

6.检测速度快

利用液相芯片技术检测SNPs,杂交在几分钟内即完成。检测蛋白质组,即便采用双抗夹心法,反应时间也只需要40~60分钟。

7.简便

只需要将荧光微球与标本进行混合,经过短时间孵育后,就可在流式细胞仪上测定。

第三节 检测流程

流式细胞术的基本检测流程包括9个步骤,包括标本准备、标本处理、开机、仪器光路与流路检查与校准、上机测定(即上样测定)、结果分析和检验报告、仪器清洗和关机。

一、标本准备

标本准备包括采集、运送与保存的全程,是流式检测的第一步,也是检测成功与否的关键所在。详细内容见第四章。

二、标本预处理

标本处理指为达到检验目的而对标本施行的一系列处置,包括对标本最佳检验成分的分离(如单细胞悬液的制备)、荧光染色反应及其后续的对反应体系进行的溶血、固定处置等。如T淋巴细胞亚群分析:首先,加样使血液样品与CD3-PC5、CD4-FITC和CD8-PE抗体混合,通过抗原抗体结合反应,对淋巴细胞进行荧光染色。其次,需要对反应体系进行溶血处理,以破坏其中的红细胞,减轻红细胞对测定的影响。最后,再对溶血的反应体系进行平衡和固定。如血小板相关流式检验项目,一般需要事先分离含血小板的血浆,然后再以此血浆为分析样品,与荧光染料标记的血小板相关检验内容的抗体进行抗原抗体结合反应,最后对反应体系进行固定。如细胞因子流式定量分析,需要分离血浆或血清,然后以血浆或血清为分析样品,与标记有待测细胞因子抗体的一定大小的荧光微球混合,进行抗原抗体结合反应,使微球捕获血浆或血清中的靶细胞因子。如实体瘤组织细胞周期分析,需要制备实体瘤组织的单细胞悬液(详见第三章),然后才能用PI染色液对单个细胞的DNA进行染色。

标本处理过程短则需要40~50分钟,长则需要1~2小时(如需要从实体瘤组织中制备单细胞悬液)。因此,上班后宜先对标本进行处理,待加样完成进入抗原抗体反应阶段的孵育后再开机。

三、开机程序

不同品牌的流式细胞仪,其开机程序基本一致,具体方法详见第二篇各相应章节。开机前后需要注意的问题如下。

  1. 开机前,一定要检查鞘液盒、清洁液盒内液体水平,以及废液桶是否废液已满需要倒掉。
  2. 开机后,一定要检查真空管及系统压力。
  3. 仪器需要预热大约需要30分钟,待激光稳定才能进入下一工作程序。

四、仪器光路与流路的检查与校准

不同品牌的流式细胞仪,其光路与流路检查校准程序基本一致,具体方法详见第二篇各相应章节。值得注意的是,当出现FS、FL中有HPCV大于2%的情况,处理方法如下。

  1. 再次确定仪器是否预热30分钟,如果预热时间不够需要继续预热,再进行Flow-Check上样测定。
  2. 可能流路存在阻塞或有气泡,按主机上的PRIME键,待仪器自动排除气泡后再重新用Flow-Check检查一次。有的时候需要连续多次进行PRIME除泡才能通过。
  3. 流式细胞仪器的流速是否处于低档(LOW),流速太快检测效果欠佳。
  4. 仪器管道系统中可能有蛋白质黏附等不畅的情况,需要执行清洗程序,对管道系统进行必要的清洗。
  5. 如果以上处理均达不到要求,则需要对仪器的光路进行校准。光路校准最好由工程师进行。

五、测定程序

仪器准备就绪,样品处理完成,即可进行上机测定。不同品牌的流式细胞仪,其上样测定程序略有不同,具体方法详见第二篇各相应章节。

六、结果分析与报告

流式检验的结果分析包括两种情况:一种是指某些流式检验项目,先上机测定,完成之后需要打开另外的专用软件,对原始采集结果进行分析加工,才能获得需要的检验信息,如流式细胞周期分析;另一种是指对检验结果存在疑问需要复查时,可以直接调出原始检验结果,重新对结果进行分析,即复查。

(一)细胞周期分析

在Beckman-Coulter XL-MCL流式仪,简便快捷的细胞周期分析方法是采用Multicyle for Windows 32-bit软件,以自动分析方式对DNA测定时采集的信号进行快速细胞周期分析,具体方法如下。

  1. 打开分析窗口双击Windows桌面Multicyle for Windows 32-bit图标→File→Open→在C:XL/lmd中找到并点击DNA检验时得到流水号,如Z0001730 →打开。
  2. 打开待分析原始采集图像在Z0001730.LMD窗口的右侧,在AUX(FL3 PEAK)对应的Mcycle竖列处小方格内点击画上勾(√)→在Z0001730.LMD窗口下端点击OK→在弹出的Analyze One Cell Cycle窗口中点击OK→软件自动对Z0001730采集的DNA信息进行分析,得到细胞周期分析图像及相应数据的计量结果。
  3. 打印或记录分析结果打印结果的方法是File→Print→确定。如果电脑安装了PDF软件,还可以通过打印功能将DNA分析的图像及计量结果转换成PDF文件以方便保存。也可以以复制、粘贴的方式,将图形结果拷贝到Office自带的绘画工具或PhotoShop中。

(二)流式检验结果复查与分析

1.DOS系统检验结果的复查与分析

(1)打开待分析原始采集结果:在ACQUISITION界面下,点击Application,选择Listmode→在File下拉菜单中,点击SELECT,选择所要分析的文件,点击OK →点击屏幕下方的PLAY NEXT按钮,显示检验结果的原始图像。

(2)检验结果的复查:逐一查对检验结果。

(3)检验结果的分析:当有质疑需要重新对原始图像进行分析,以得到合理的检验结果时,点击屏幕右下蓝色的REGION使之成为红色,即可重新对原始图像进行编辑,如调整门的大小与位置、增设门等,对检验结果进行必要的修正。

(4)结果保存与打印。

2.Windows系统检验结果的复查与分析

(1)打开分析窗口:双击Windows桌面EXPO32 ADC Analysis图标→选择用户名并输入用户密码→下一步→完成。

(2)打开分析方案:在左侧竖窗内,选择用户名→选择待打开原始采集结果所使用的采集方案名,如CD3-PC5/CD4-FITC/CD8-PE→压住鼠标左键将方案拖入中央窗口的空白处,松左键即弹出方案。

(3)打开待分析原始采集结果:File→Open Listmode File→LMD→选择需要打开的采集结果的流水号,如Z0005173→OK。

(4)检验结果的复查:逐一查对检验结果。

(5)检验结果的分析:当有质疑需要重新对原始图像进行分析时,可直接对原始图像进行编辑,如调整门的大小与位置、增设门等,对检验结果进行必要的修正。

(6)结果保存与打印。

七、检验报告

完成上机测定并得到检验图像和数据结果后,即可向临床做出流式检验报告。目前流式检验报告尚无统一的格式和标准,可以是计量资料报告、图像报告,也可以是两者的结合,即图文报告。无论是哪种报告方式,都需要将临床有用的流式检验信息尽量提供给临床,以满足临床疾病诊疗的需要。另外,流式细胞学检验技术虽然已经是一门成熟的单细胞学分析技术,但是将其用于临床检验领域仍然历史较短,并且至今尚未普及,因此,还缺乏全国范围或一定地区内人群的正常参考范围值。国外公司提供的数据或文献报道的小量样本测定结果可以适当参考,但仍然需要制订本室的流式检验参考范围,毕竟同样的检验目的,不同的检验科制定的流式检验方案不统一、标本处理程序与具体方法不统一、试剂来源、仪器性能等不统一,这些都容易影响检验结果的横向可比性。

八、仪器清洗

不同品牌的流式细胞仪,其清洗程序大致相同,仅略有差别,具体方法详见第二篇各相应章节。

九、关机程序

不同品牌的流式细胞仪,其关机程序基本一致,具体方法详见第二篇各相应章节。

第四节 技术特点

一、单个细胞检测

流式细胞术最具特色的方法学特点就是它的分析对象为单个细胞或单个颗粒样物质,因此它是一种单细胞(或颗粒)分析方法。通过对一个一个的单个细胞(或颗粒)的测定,获得关于细胞群(或颗粒群)整体的相关信息,如细胞群全体细胞的平均大小、胞质颗粒结构的多少、某种或某几种抗原成分的平均含量,以及各种指标的分布范围等资料。

二、定量检测

流式细胞术虽然不能完全取代显微镜镜检技术,却是对显微镜镜检技术的强大补充,使显微镜镜检这种纯形态学检查方法中不能或难于定量的检验内容定量化,排除了人为因素带来的主客观误差,弥补了形态学检查结果以“描述”容易带来的理解上的偏差,为临床病情判断、疗效监测等提供了计量资料依据。

三、快速

流式细胞术对单个细胞(或颗粒)的定量分析具有快速特点,每秒可以对数百甚至数千的细胞(或颗粒)进行测定。单位时间内测定的细胞(或颗粒)数量少,采集时间长;相反,单位时间内测定的细胞(或颗粒)数量多,采集时间短。考虑到检验结果的准确性、测定效率及仪器的响应能力等方面可能存在的问题,一般将实际采集速度控制在每秒200~500个细胞(或颗粒)为宜,单份样品采集时间在30~60秒,采集细胞(或颗粒)总数在10 000个以上,特殊情况下要求最少不低于5000个细胞(或颗粒)。即便如此,流式细胞学检验技术的测定速度,也是人工显微镜镜检所望尘莫及的。

四、准确

流式细胞术具有准确性高的特点,这种准确性建立在对大量细胞(或颗粒)信息的定量化采集基础之上,仪器内置软件对这些来自大量单个细胞(或颗粒)的定量化原始计量资料,进行自动的统计学处理,计算出每一种计量资料的平均值、分布宽度,客观地反映了设门时圈定待分析细胞群(或颗粒群)的相关信息。

五、特异

流式细胞术测定蛋白质成分以抗原抗体特异性结合反应为基础,使用的抗体均为荧光标记的特异性单克隆抗体,并且在实际测定过程中,使用与特异性抗体相同性质的同型对照抗体为阴性对照,确保了方法学上的特异可靠。

六、重复性

流式细胞术以流式细胞仪为细胞相关计量资料的采集设备,排除了人为主客观因素对检验结果的影响。同时,在样品上机采集前,仪器的光路、流路均经过校正,采集细胞(或颗粒)的数量大,结果是大量细胞(或颗粒)相关信息的统计学处理值,因此其重复性得到了充分保障。

七、多参数检测

流式细胞仪采集的光学指标包括散射光和荧光两种。散射光包括反映细胞大小的FS和反映细胞质内颗粒性结构的SS。荧光的种类根据仪器内置荧光采集通道的数量而定,常见型号的临床流式细胞仪一般具有4~5个荧光通道,因此可以同时对同一个细胞上发出的4~5种不同的荧光信号进行采集与测定。因此,每份样品上机测定后,可以得到FS、SS、4~5种荧光参数值,满足关于细胞大小、细胞内部结构、细胞表面或内部4~5种不同蛋白质成分的表达量的计量信息。流式细胞术具有的这种多参数分析的优点,不仅是检测效率上的优势,更重要的是可以用其中的1~3种荧光信息作为待分析靶细胞的筛选标志,从一群单纯依靠细胞大小和/或细胞内部结构无法区分待测靶细胞的情况下,将待分析的靶细胞区分出来,从而达到对靶细胞的细胞大小、细胞内部结构、某种或几种蛋白质表达的分析,尤其是蛋白质表达的分析,在临床疾病的诊断与鉴别、病情监测、疗效判断、预后评估中都具有广泛的应用前景。

第五节 流式常用术语

英文名称缩写中文名称意义
A/D converterA/DA/D转换器仪器硬件上的模/数转换电路
air pump空气泵仪器硬件组成部分之一
alignment校准,调整仪器软件指令之一,在此条件下可以对仪器的些参数(如电压、增益等)进行调整
allo phy co cyan inAPC同分异构别藻蓝蛋白激发波长633nm,发射波长675nm(红色)
aneuploid非整倍体与正常二倍体细胞中发现的数目正确而众多的染色体不同(排除具有一半数目的配子)。在流式细胞仪中不测定染色体, 因此DNA非整倍体这个术语更加适合表示众多的D.I.为1.0的倍体值
antibodyAb抗体由B细胞产生的蛋白,可以结合到细胞的特异位点
auxiliary signalAUX辅助信号用一个PMT放大两种不同的信号时, 需要把其中的一个信号确定为辅助信号,然后该信号进入到另外一块电路板进行分析,这样两个信号间就不会产生干扰
baseline offset基线偏移基线偏移功能是通过增加随机的高斯正偏移把些低水平信号的对数数据从较低的数字通道移上来,方便数据间的分析
calibration校准仪器软件指令之一,在此条件下可以对仪器的一些参数(如电压、增益等)进行调整
color compensation颜色补偿由于荧光染料的发射谱带较宽,同时检测两种或戈以上的荧光染料时,荧光之间会有相互的干扰。仪器通过颜色补偿把荧光间的相互干扰去除
compensation补偿仪器软件指令之一,在此条件下可以对仪器荧光补偿进行调整
concentration quenching浓度猝灭在荧光染色过程中,当染料浓度较低时,荧光强度与浓度成正比关系,随浓度加大,荧光强度也增大。当荧光染料达到一定浓度后,如继续增加浓度,不仅不会使荧光信号再有相应的增强,反而会使荧光强度下降。这种因浓度增大使荧光量子产率减少的现象,称为浓度猝灭
contour plot等高图等高图可提供数据的双参数显示,每个细胞颗粒根据两个参数值在图上都有一个位置,同一等高线反映的是细胞颗粒数相同或频率分布相同
count计数某一区域中的细胞数
cutoff value临界值流式细胞仪设有临界值输入窗口。所谓临界值就是赋予仪器一个参数,当经过流式细胞仪流动池的颗粒直径达到该参数值及以上时,仪器将其定义为采集的细胞,而不是需要忽略不计的干扰微粒
density plot密度图密度图可提供数据的双参数显示,允许在选定参数间任意组合,每种颜色代表细胞或颗粒的数目是相等的
detection threshold检测阈值流式细胞仪设有检测阈值输入窗口。所谓检测阈值就是赋予仪器一个参数,当经过流式细胞仪流动池的颗粒直径达到该参数值及以上时,仪器将其定义为采集的细胞,而不是需要忽略不计的干扰微粒
diploid二倍体是一个有机体内绝大多数细胞的DNA含量; 对人来说其相当于46条染色体。流式细胞仪不能区别没有产生DNA异常的染色体重排(但仍是非整倍体) , 或从二倍体辨别DNA含量微细的差异
discriminator噪声分辨阈值是区分经过流动室的颗粒是信号还是噪声的阈值,在阈值以下,认为是噪声(即干扰信号),计算机不会进行计数和处理。通常把阈值设在FS上,用于区分碎片和细胞,以排除碎片或颗粒性杂质的影响
dotplot双参数的点图点图可提供数据的双参数显示,允许在选定参数间任意组合,每个点代表一个细胞或颗粒,点的位置反映的是细胞或颗粒的参数值
double discrimination双联体识别在做DNA周期检测时, 为了准确检测DNA的含量,需要把单个细胞和粘连细胞区分开,可以利用积分信号和峰值信号可进行双联体识别
euplold整倍体有完整的和正常分组的染色体
events事件在流式仪的流动池内,每当一个细胞流经中央小孔被激光照射后,将形成一个光信号变化的脉冲,称为一个事件。因此, events指的是细胞数量
filter滤光片流式细胞仪硬件组成之一,不同规格的滤光片可以允许一定波长范围的光通过
fluid focusing流体聚焦是流式细胞仪检测单个流动细胞的基本工作原理。人们发现将液体按照一定速度加入漏斗中时,从漏斗颈流出的液体并不是实心的,液体的中央形成一个空气柱。利用这个现象,将流式细胞仪的流动室制作成漏斗样结构,以一定压力将鞘液灌入流动室。在流动室顶部中央位置设计了样品流喷射嘴,将待测处理好的样品液按照与鞘液的流动方向一致的方向注入流动室。以一定压力快速流动的鞘液形成一定直径大小的中央孔道,样品液沿着这个以鞘液为管壁的中央孔道流过。通过压力调节可以对鞘液提供的中央孔道的直径进行调节,一般使之为10~20um,使样品液中悬浮的细胞只能单个排列着,一个一个地流经中央孔道,从而被激光束一个一个地照射,仿佛被聚焦在一个定点上一样,这就是流体聚焦流体力学中的Bernoulli定律, 即是对液流聚焦规律的描述,其公式是:S,·V=S,V,其中S,和S,代表两个不同的液体流经截面面积,V和V代表液体流在流过两个不同截面面积管道的速度。如果S>S,则V,>V。当两个截面面积突然发生变化时,液流从截面积大的部分流入截面积小的部分后,并非全部形成平行于管壁的稳流,而是在入口处有一段收缩区
flow流式是流式细胞测量技术的最简称,尤其是当荧光微球捕获技术用于流式细胞分析后,已经将该技术延伸到了非细胞检测领域,如检测血清中的蛋白质、基因片段等,再在名词中以细胞进行限定已经不符合当今该技术进步的现状,同时新时代里人们更加追求简明、快速,因此“流式”这个简称越来越被人们认可,在欧美已经很流行
flow cell流动室流式细胞仪硬件组成的一个部分,为流式细胞仪的核心部件。在流动室内,标本中的细胞在鞘液的流体聚焦作用下呈单列逐个经过,也是激光照射单个细胞的场所
flow chamber流动室同flow cell
flow cytometer流式细胞仪用于分析单个细胞或颗粒形态,以及细胞或颗粒上有关蛋白质、多肽、核酸含量多少的一种仪器设备
flow cytometryFCM流式细胞测量技术,或流式细胞分析,或流式细胞分析技术,或流式细胞术flow表示“流动”, cyto是指“细胞”, me try即“测量”。顾名思义,准确翻译应为流式细胞测量技术,即对流动着的细胞进行测量的技术,可以描述为它是以流式细胞仪为主要分析仪器,对样品中悬浮存在的单个细胞进行的一种快速定量测量技术。通过流式细胞仪对流动液体中单个排列的细胞进行的逐个检测,得到单个细胞的散射光信号和荧光信号,再将它们转化为电信号和数字信号,最终得到有关细胞体积、细胞内部结构、DNA、RNA、蛋白质等生物学相关信息的一项高新技术,具有检测速度快、测量指标多、采集数量大、准确性高等特点,为微观认识细胞和横向比较细胞之间的特性提供了一种快速、准确的分析方法
flow sorting流式细胞分选是指流式细胞仪可以将混合细胞样品中的具有某种标志的细胞区分出来并单独收集的功能
fluorescenceFL荧光是指可见光等电磁辐射的散光,因某物偶然受到辐射而发光,持续时间由刺激物辐射的时间长短决定
fluorescence compensation荧光补偿由于荧光染料的发射谱带较宽,同时检测两种或两种以上的荧光染料的发射光时,荧光之间会因谱带的重叠发生相互干扰。流式细胞仪可以通过单种荧光素标记的同型对照抗体加样管,逐个上机来调整仪器的荧光采集光谱范围,以回避采集两种或多种荧光光谱有重叠的部位,最大限度地除去这种相互干扰,称为荧光补偿
Fluorescence intensityFI荧光强度是流式细胞仪检测到的荧光多与少的量化指标。荧光强度取决于激发态的初始分布(IA)与量子产率(Ø)的乘积。如果以F代表荧光强度,则有F=IAØ,这里的F指的是向各个方向上发射的荧光强度的总和,实际上仪器收集的只是其中的一小部分。因此仪器测到的荧光强度F=IAØ·Z, 其中Z是仪器因子。如果激发光强保持不变,且Ø和Z与激发波长无关,则荧光强度与消光系数有关,而消光系数随波长的变化而变化,因此荧光强度也随激发波长的变化而变化
fluorescence lifetime荧光寿命是指去掉激发光后,分子的荧光强度降到激发时最大荧光强度的1/e所需要的时间。因此,荧光寿命是指分子在某种特定状态下存在的时间
fluorescence quantum yield荧光量子产率是物质荧光特性中最基本的参数之一,它表示物质发射荧光的本领。荧光量子产率通常用Ø来表示,定义为发射量子数和吸收量子数之比,即由荧光发射造成的退激分子在全部退激分子中所占的比例,又称荧光效率。Ø=发出量子数/吸收量子数
fluorescence spectrum荧光光谱包括激发谱和发射谱两种。激发谱是荧光物质在不同波长的激发光作用下测得的某一波长处的荧光强度的变化情况,也就是不同波长的激发光的相对效率;发射谱则是某一固定波长的激发光作用下荧光强度在不同波长处的分布情况,也就是荧光中不同波长的光成分的相对强度
fluorescein isothiocyanateFITC异硫氰酸荧光素激发波长488nm,发射波长525nm(绿色)
forward scatterFS前向散射光反映细胞大小。细胞越大,FS越大
gain增益是进行信号放大的另一种方式。在脉冲离开PMT后,调节计算机信号处理板增加或减少信号的强度,可以快速改变信号的强弱,这种调节是粗调。对数信号是不能用gain进行调节的
gating设门操作者可以圈定一群细胞,只对这群细胞进行数据分析,这个过程称为设门
geo mean几何均数N个变量值乘积的n次方根
haploid单倍体具有正常染色体的一半数量,在哺乳动物的配子中发现
histogram直方图是一个频率分布模型,借助于横坐标轴表示一系列观察区间如细胞数量,纵坐标轴表示观察频率
HPCV半峰变异系数HPCV反映的是仪器分辨率的好坏, HPCV越小,仪器分辨率越好
hydrodynamic focusing流体动力学聚焦在样本流动的过程中,如果细胞以不同的方式通过激光束,则细胞的分析将会不准确。仪器使用被称为流体动力学聚焦的过程保证细胞每次沿同一路径通过检测区域,该过程发生在流动室中
isotypism control同型对照是指与流式检验测定抗体具有相同性质,但与测定抗体的特异性对象无关联的对照抗体。如果使用CD3-PC5作为测定抗体,该CD3-PC5抗体的性质为小鼠抗人IgG, 于是使用小鼠IgG1-PC 5作为对照抗体,替代测定管CD3-PC5的加样位置,用于测定前仪器的调零,以去除干扰。这里所使用的IgG1-PC 5是一种与人类CD 3完全无关的抗体,即同型对照
legend图例使用图例可以显示细胞群的颜色,名字和文件样本信息等
mean intensity平均荧光强度平均荧光强度是每个荧光通道的强度与该通道的细胞数乘积的加和再被总的细胞数除
overlay histogram plot叠加直方图叠加直方图可以显示和比较多个单参数直方图
panel方案组一个方案组是由几个方案组成的,在自动运行过程中给特定的方案以不同的分工
peak signal峰值信号当细胞通过激光束会产生一个脉冲信号,当细胞进入激光束和离开激光束时,脉冲信号会由弱到强再到弱的过程,是一个实时的变化,荧光的强度决定了峰值脉冲的高度,荧光的分布决定了脉冲的宽度
PE-cyan in 5PC5藻红蛋白-花青苷5复合荧光染料激发波长488nm,发射波长675nm(红色)
PE-texas redECD藻红蛋白-德州红复合荧光染料激发波长488nm,发射波长620nm(橙色)
photodissociation光化分解是指荧光物质因吸收光能而造成某一键断裂的现象,光化分解会造成荧光逐渐减弱。尤其是对于稀溶液来说,光化分解就更为严重。通常,为减少光化分解现象造成的影响,可采取以下措施:①减少光照时间和强度;②由于稀溶液更容易变质,而样品在浓溶液中要稳定一些,因此储备液要配得浓一些,使用前再稀释;③仪器本身的改进如提高检测器灵敏度,降低光源强度等,也有利于减少光化分解
photon multiple tubePMT光电倍增管把光学信号转化为电脉冲信号的装置
phycoerythrinPE藻红蛋白荧光染料激发波长488nm,发射波长575nm(黄色)
Pk position峰值位置某一区域中细胞数最多的荧光强度
Pk count峰值计数某一区域中处于峰值位置的细胞数
ploidy倍体是细胞的基因含量,通常表示相对于正常二倍体DNA或者染色体的含量
PMT voltagePMT电压进行信号放大的一种方式,可以直接通过调节PMT的电压, 增加或减少脉冲信号的强度, 这种调节是微调
prism plot柱状图柱状图是用多色免疫分析的方案在单个直方图上同时显示所有亚群或表型的百分比
pro pyridine iodidePI碘化丙啶激发波长488nm,发射波长620nm(橙红色)
protocol方案在检测标本之前,流式细胞仪需要输入一些信息使检测结果符合检测者的要求,如检测参数、直方图种类、希望检测的细胞数量等。这些按检测者要求而建立起来一系列检测条件即组成方案
sheath fluid鞘液在流体聚焦中,将提供聚焦的液流形象地称为鞘液,意思是包裹被聚焦的液流的液流,就如同刀插在刀鞘中时刀和刀鞘之间的关系一样。在临床流式细胞学检验中, 鞘液一般采用PBS, 并适当添加有细胞保护剂
side ScatterSS侧向散射光反映细胞内部结构的复杂度或颗粒的多少。结构越复杂,颗粒越多,SS越大
tetraploid四倍体具有两倍于普通的染色体和DNA含量的整倍体细胞;在人类这相当于92条染色体。四倍体细胞是肝,心肌细胞的正常部分,在许多其他的组织中也存在很少部分
thiazole orangeTO噻唑橙激发波长488nm,发射波长525nm(绿色)
tomogr am plotX线断层图X线断层图可以对任意3个参数进行三维立体显示,每个颜色代表相同的细胞颗粒数
workspace preference工作区参数选择操作者可根据自己的偏爱对工作区或图形进行一些预先的设定

(吴丽娟)

参考文献

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  2. CARSON RT,VIGNALI DAA. Simultaneous quantitation of 15 cytokines using a multiplexed flow cytomtric assay[J].J Immunol Meth,1999,227(1-2):41-52.3.VIGNALI DA. Multiplexed particle-based flow cytometric assays[J].J Immunol Meth,2000,243(1-2):243-256.

  3. VIGNALI DA. Multiplexed particle-based flow cytometric assays[J].J Immunol Meth,2000,243(1-2):243-256.

  4. SPIRO A,LOWE M,BROWN D. A bead-based method for multiplexed identification and quantitation of DNA sequences using flow cytometry[J].App Environ Micro,2000,66(10):4258-4265.

本文选自吴丽娟主编《流式细胞术临床应用》

1.编者队伍权威:编写团队来自成都军区总医院、北大医院、协和医院、复旦大学儿童医院、四川大学华西医院、第三军医大学西南医院等。

2.内容详尽:从流式检验的基本理论和方法入手,围绕流式细胞仪的基本原理、技术以及其在临床疾病诊断和医学科学研究中的应用,进行了全面、系统、深入浅出的介绍和讨论。

3.实用性强:参照此书具体检验项目的操作步骤、注意事项、参数设置、临床意义可以进行流式检验常见项目的检测和临床咨询工作;可以了解仪器的保养维护、质量控制、当前国际上的通用规范等。是从事临床科研的必备工具用书。


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