背景與挑戰(zhàn)

免疫細(xì)胞分析在癌癥治療、感染監(jiān)測(cè)和血液病診斷中具有重要意義，但傳統(tǒng)流式細(xì)胞儀體積龐大、成本高昂，且依賴專業(yè)操作人員。現(xiàn)有商業(yè)設(shè)備如BD FACSDiscover?雖能提供高精度數(shù)據(jù)，但其價(jià)格和復(fù)雜性限制了在資源有限地區(qū)的應(yīng)用。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)

EZ DEVICE整合了微流控芯片、激光二極管、CMOS圖像傳感器和AI算法，實(shí)現(xiàn)了從樣本預(yù)處理到檢測(cè)的全自動(dòng)化。其核心包括：
微流控芯片：包含預(yù)混合、白細(xì)胞標(biāo)記和檢測(cè)三個(gè)功能區(qū)，通過蛇形通道促進(jìn)抗體標(biāo)記。
光學(xué)系統(tǒng)：采用532 nm和586 nm激光激發(fā)熒光信號(hào)，配合可切換濾光片實(shí)現(xiàn)多色檢測(cè)。
AI算法：基于YOLO v4模型進(jìn)行圖像分割和目標(biāo)識(shí)別，通過二值化處理提升低亮度顆粒的識(shí)別準(zhǔn)確率。

圖 1.（a） 用于免疫細(xì)胞比例分析的 EZ DEVICE 微流控芯片示意圖，包括預(yù)混、白細(xì)胞標(biāo)記和圖像檢測(cè)區(qū)域。（b） 微流控芯片的照片。

圖 2.（a） 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖和 （b） 用于免疫細(xì)胞比例分析的 EZ DEVICE 平臺(tái)的照片。

圖 3.在 AI 對(duì)象識(shí)別和分割過程中獲取的圖像。（a） 手動(dòng)計(jì)數(shù)結(jié)果的不同微珠圖像，（b） AI 計(jì)數(shù)結(jié)果的不同微珠圖像，（c） 手動(dòng)計(jì)數(shù)結(jié)果的圖像，（d） AI 計(jì)數(shù)結(jié)果的圖像，（e） 原始顯微鏡圖像，（f） 標(biāo)準(zhǔn)閾值二值化結(jié)果，以及 （g） 手動(dòng)閾值二值化結(jié)果。

圖 4.EZ DEVICE 芯片對(duì)樣品顆粒和熒光抗體的染色性能。染色后，使用 IX73 顯微鏡獲取顆粒圖像，其中 （a） 明場(chǎng)，（b） U-FBWA 濾光片 （510–550 nm） 和 （c） EZ DEVICE 顯微鏡檢測(cè)發(fā)射波長(zhǎng)為 520 ± 20 nm 的染色顆粒。（d） 通過 DEVICE 細(xì)胞術(shù)測(cè)量染色前后的性能。

性能驗(yàn)證

計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性：使用熒光微球（FITC標(biāo)記）和Jurkat T細(xì)胞驗(yàn)證，AI計(jì)數(shù)與人工計(jì)數(shù)的一致性達(dá)82.3%，誤差小于1%。

抗體標(biāo)記效率：抗MHC I抗體標(biāo)記效率達(dá)99.06%，且能在復(fù)雜樣本（如THP-1與Jurkat T細(xì)胞混合液）中區(qū)分CD3表達(dá)模式（帽狀與擴(kuò)散分布），反映T細(xì)胞活性差異。

抗干擾能力：在干擾物質(zhì)濃度為目標(biāo)物25倍的條件下，仍能準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)細(xì)胞。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

EZ DEVICE的微型化設(shè)計(jì)（28 mm × 30 mm芯片）和低功耗（9 V電池供電）使其適用于床旁檢測(cè)。通過更換濾光片，系統(tǒng)可適配不同熒光染料，擴(kuò)展檢測(cè)靶標(biāo)范圍。此外，AI算法的持續(xù)優(yōu)化（如引入更復(fù)雜的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）有望進(jìn)一步提升單細(xì)胞通量和復(fù)雜樣本的分析能力。

應(yīng)用前景

臨床診斷：快速篩查白血病細(xì)胞或循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTCs）。

免疫治療監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)追蹤癌癥患者免疫細(xì)胞動(dòng)態(tài)。

傳染病研究：分析HIV感染后的T細(xì)胞亞群變化。未來通過整合更多熒光通道和優(yōu)化微流控設(shè)計(jì)，EZ DEVICE有望成為個(gè)性化醫(yī)療中的核心工具。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.117074

來源：微生物安全與健康網(wǎng)，作者~李康倩。