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為了實現(xiàn)個性化醫(yī)療的潛力并克服最近頻繁發(fā)生的大流行性疾病等危機情況，實驗室需要一種有效的方法來分離活細(xì)胞進(jìn)行分析和測試——在不損害細(xì)胞活力的情況下分離特定細(xì)胞類型的能力對推進(jìn)藥物研究也是必要的。

為了滿足這一需求，據(jù)激光制造網(wǎng)了解，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究院（Fraunhofer ILT）和生產(chǎn)技術(shù)研究所（IPT）將于4月9-12日在慕尼黑舉行的2024年分析會上展示LIFTOSCOPE設(shè)備。該設(shè)備顯示，該研究團(tuán)隊成功開發(fā)了一種人工智能輔助工具，該工具使用高通量流程自動對活細(xì)胞進(jìn)行分類和分離。這項被稱為LIFTOSCOPE的技術(shù)結(jié)合了高速顯微鏡基于人工智能的分析，以及利用激光誘導(dǎo)正向傳輸（LIFT）定位活細(xì)胞和細(xì)胞簇。

MIR LIFT過程以高達(dá)100 Hz的頻率將活細(xì)胞一個接一個地轉(zhuǎn)移到測微板上。為了將高效工藝集成到顯微鏡平臺中，無論制造商是誰，F(xiàn)raunhofer ILT開發(fā)了支架（如圖所示）用于六孔微量滴定板。（Fraunhofer ILT供圖）。

LIFTOSCOPE每秒可以定位、識別和分析數(shù)十個活細(xì)胞。它可以在200μs內(nèi)完成單個細(xì)胞的轉(zhuǎn)移，并且可以在100 s內(nèi)激活10000個細(xì)胞并將其轉(zhuǎn)移到微量滴定板。

為了創(chuàng)建LIFTOSCOPE，項目團(tuán)隊將人工智能輔助的高通量過程集成到商用倒置顯微鏡中，并為顯微鏡配備高速攝像頭和閃光燈。它將細(xì)胞轉(zhuǎn)移的中紅外（MIR）LIFT過程直接集成到顯微鏡的光束路徑中。

與顯微鏡相連的攝像系統(tǒng)每秒可提供100幅高分辨率圖像。人工智能技術(shù)識別圖像數(shù)據(jù)中所需的細(xì)胞類型，還決定細(xì)胞的準(zhǔn)確位置和重心。人工智能系統(tǒng)可以被訓(xùn)練來識別多能干細(xì)胞、高產(chǎn)細(xì)胞和免疫細(xì)胞。

在對細(xì)胞進(jìn)行分類和分析后，使用MIR LIFT過程將其轉(zhuǎn)移到微量滴定板。LIFTOSCOPE中使用的高精度、光學(xué)監(jiān)控、基于激光的過程使其能夠精確控制和傳輸細(xì)胞。轉(zhuǎn)移細(xì)胞的存活率超過90%。Fraunhofer ILT生物制造小組負(fù)責(zé)人Nadine Nottrodt說：“根據(jù)細(xì)胞類型，所有細(xì)胞中有100%能夠存活下來?！?br/>
細(xì)胞以高達(dá)100赫茲（Hz）的高頻率傳輸。該團(tuán)隊開發(fā)的一個六孔微量滴定板支架，可以更容易地將該技術(shù)集成到任何顯微鏡平臺中，無論制造商是誰。

研究人員說，LIFT過程快速簡單。LIFT使用只需要幾微焦耳（μJ）脈沖能量的9-ns激光脈沖，刺激位于目標(biāo)細(xì)胞正下方的液體介質(zhì)形成蒸汽泡。此前已脫離束縛的電池被泡沫短暫掀起。一旦氣泡破裂，就會形成抽吸，將細(xì)胞沖洗到微量滴定板的培養(yǎng)容器中。

項目經(jīng)理Richard Lensing說：“細(xì)胞隨機分布在樣品中。因此，我們的系統(tǒng)遵循預(yù)先定義的網(wǎng)格，并傳輸距離焦點50微米半徑內(nèi)的細(xì)胞。”。

雖然熒光標(biāo)記物可以用來識別特定的細(xì)胞，但LIFT過程即使沒有添加劑也能很好地執(zhí)行。人工智能技術(shù)提供精確的定位，以確保細(xì)胞被射流捕獲并輸送到測微計板中。LIFT過程使用MIR 2940nm波長激光器直接激發(fā)液體介質(zhì)。該波長幾乎不被樣品載體中的聚合物吸收。

肌動蛋白染色的3T3成纖維細(xì)胞球體，用于LIFT轉(zhuǎn)移，在激光制造的微孔中培養(yǎng)。（Fraunhofer ILT供圖）。

該團(tuán)隊開發(fā)了兩種移動細(xì)胞培養(yǎng)物的策略——一種是停下來的方法，另一種是連續(xù)的過程。“走走停?！钡姆椒ㄌ峁┝擞迷S多不同的細(xì)胞對樣品進(jìn)行分類的能力，這使得樣品制備更加容易。然而，這也降低了效率。Nadine Nottrodt說：“在停轉(zhuǎn)操作中，必須在細(xì)胞LIFT前后插入一個短暫的休息階段，因為每次停轉(zhuǎn)都會觸發(fā)樣品中的流體動力流，在下一個細(xì)胞被轉(zhuǎn)移之前，流體動力流必須先穩(wěn)定下來?！?。

當(dāng)使用連續(xù)過程時，LIFTOSCOPE掃描樣本載體，掃描網(wǎng)格最多1600行，間距為50μm，并轉(zhuǎn)移在連續(xù)移動過程中聚焦的每個細(xì)胞。傳輸?shù)膯卧裨蕉?，使用這種方法節(jié)省的時間就越多。當(dāng)10000個細(xì)胞被轉(zhuǎn)移時，連續(xù)過程的速度是停止和移動策略的兩倍多。它可以傳輸10萬個細(xì)胞，比“停-走”操作快20倍。

該團(tuán)隊旨在穩(wěn)定自動細(xì)胞識別和LIFT過程的高通量，將完成一個微量滴定板所需的時間限制在10分鐘內(nèi)。用于成像和定位加工周期中的激光焦點將確保LIFT過程具有AI支持的細(xì)胞檢測和測量所需的分辨率。這也將確保激光焦點位于電池正下方25μm以內(nèi)。

這種基于人工智能、基于激光的過程可以完全自動化分離活細(xì)胞的任務(wù)。根據(jù)Nottrodt的說法，根據(jù)項目團(tuán)隊取得的進(jìn)展，細(xì)胞LIFT可以與高速相機的圖像頻率同步，這將實現(xiàn)每秒100個細(xì)胞的單細(xì)胞分選率。團(tuán)隊的下一步將是通過流程原型實現(xiàn)市場成熟度。