高内涵成像系统在生命科学中的应用
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• Vybrant® #7 (Mol. Probes)
• Mit-E-Ψ™ (BIOMOL)
Viable Early Apoptotic Late Apoptotic Necrotic
细胞毒性的检测
Untreated Control
0.0046 uM Antimycin A 0.014 uM Antimycin A
Number of verified new references per year citing MetaMorph (source: HireWire Press from Stanford University)
Number of known published papers
1400
1200 1000
http://mpibcms.biochem.mpg.de/en/rg/lipidrophe/index.html
胰岛素诱导脂肪的吸收和合成
H33342 segmentation
QBT FAU segmentation
Combined segmentation
胰岛素对于3T3-L1 脂肪细胞和成纤维细胞摄取的影响
生物学效应——免疫细胞分析
生物学效应评价——抗肿瘤药效分析 TNF- 诱导 NF-kB 核转位.
Andrea L. Kasinski, Yuhong Du, Haian Fu, et. al,
Mol Pharmacol 74:654–661, 2008
生物学效应评价——神经系统
Nogo-A的N-末端区域抑制轴突生长
生物学研究
• 在体研究——器官层面 （模式动物）
• 基因层面——RNAi,基因芯片 • 蛋白层面——蛋白质组学 • 生化层面——酶，通路等 • 细胞层面——形态学 • 亚细胞层面——亚细胞形态学
细胞层面——最常用
以细胞为对象，通过细胞功能、形态等生物学 效应为目标，检测细胞形态学、功能学和蛋白 表达。
细胞增殖、细胞凋亡、细胞死/活，细胞分类、细胞迁移，细胞分散……
药物的毒性分析
细细胞胞健凋康亡度分析模、块细胞健康度分析、细胞死/活分析
• 应用 • 肿瘤 • 免疫学 • 神经元疾病
• 细胞分类 • 活细胞 • 凋亡早期 • 凋亡晚期 • 坏死细胞
• 可达3波长
• 试剂盒
• Vybrant® #3 (Mol. Probes)
激光自动聚焦——无光毒性和光漂白 无药物干预对照组
GFP 细胞内表达，不会因为细胞凋亡而亮度下降 RFP，能够反映线粒体膜电位变化，能够反映出细胞凋亡
图像自动聚焦——强烈的光漂白和光毒性
“光引擎”固态光源： 1. 亮度高 2. 全光谱 3. 寿命长 4. 光源极其稳定
sCMOS： 1.低噪声，高灵敏 度 2. 高速度 3.高分辨率
是否有抑制作用?? 抑制程度（%） ??
Fenghua Hu and Stephen M. Strittmatter, Yale University School of Medicine
J. Neurosci. 28(5):1262–1269, 2008
轴突生长
original image
segmented image
或外界刺激对细胞作用的综合生物学评价。
“高内涵”——
高——功能多，多种多样的细胞学应用 高——分析参数多，对几乎所有应用均可进行 分析 高——通量大，速度快
“高”——速度快，通量大
“高”——功能多，多种多样的细胞学应用
各种规格多孔板
玻片
普通培养皿 共聚焦专用培养皿
细胞芯片、组织芯片
模型动物——在体层面研究
对照
肾上腺素
维拉帕米
通过钙流检测心肌跳动
Positive Chronotropes
(speed up)
Negative Chronotropes (slow down)
Beats/ 23 sec
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1e-4
0.001
0.01
0.1
1
ConCcoencnenttrartiaon,tuiMon, M
GFP-H
GFP-L GFP Neg
% Late M (CellCycle) [Cell Measurement]
% Early M (CellCycle) [Cell Measurement]
% G2 (CellCycle) [Cell Measurement]
% S Phase (CellCycle) [Cell Measurement]
1. 观察的通量大，细胞多，能够进行稀有事件的检测 2. 观察稳定无漂移 3. 能够对活细胞进行一系列的分析
活细胞的观察和培养
激光自动聚焦：无光漂白和光毒性， 能够进行长时间细胞观察
图像自动聚焦：细胞损害大，有文献 表明无法进行长时间细胞观察
激光自动聚焦 （300ms）：快速+活细胞
High precise XYZ stage
0.041 uM Antimycin A 0.123 uM Antimycin A 0.370 uM Antimycin A
1.111 uM Antimycin A 3.333 uM Antimycin A 10 uM Antimycin A
AcuityXpress Analysis of Toxic Compounds
Glial-like cells
Yoav Soen, Patrick O Brown, et. al , Stanford University
Molecular Systems Biology , 2006
Neuron-like cells
神经前体细胞的分化
Global analysis of differentiation
Beats/min
Beats/min
Beats/min
Epinephrine
50
40
30
20
10
-5 Control -3 -2 -1
0
1
Log [Agonist] μM
Isoproterenol
50
40
30
20
10
-5 Control -3 -2 -1
0
1
Log [Agonist] μM
心肌跳动 – Calcium 5
显微镜
什么是高内涵分析？
• 用于药物研究和其他生物学研究的以细胞为单位的方法 • 全自动荧光成像 • 高通量显微图像分析
高
内
涵
显Hale Waihona Puke Baidu镜
成
(活细胞工作站，激光
共聚焦显微镜)
像
筛
选
流式细胞仪
10
科学概念
对每个细胞进行多通道、多靶点的荧光扫描检 测，由成像技术捕获图像信息后，经专用分析系统 进行多指标在线分析，最终高效率地定量获取药物
% G0/G1 (CellCycle) [Cell Measurement]
根据细胞GFP表达情况分析细胞周期
MetaXpress – 以 MetaMorph® 为核心
• MetaMorph – 强大的图像工具
• 过去二十年发展起来的 • 针对成像研究发展起来 • 拥有整套的图像处理算法和工具 • Journaling 功能可以方便定义分析过程—无需软件专业知识
血管生成
• MetaXpress 获取 Z-序列图像 • 每一个图像都只有部分血管在焦
平面
Images courtesy of Min Wu, BD Biosciences
蛋白表达研究
自由进行分析，分析无限制
★可选透射光组件 ★可选加样器 ★可选机械臂
活细胞长时间观察分析——药物长期效果分析
• 设定用户自定义的实验步骤 • 在 2x下进行整孔成像 • 分析检测目标物体 • 载物台自动移至物体进行40X成像 • 在单个位点收集动力学数据
2x, transmitted light / GFP
10x, GFP (heart)
细胞层次的细胞生物学研究
4X 物镜
10X 物镜
大通量，细胞水平的检测、评价和分析
生物学效应评价——损伤与修复研究
Mol Cancer Ther 7(7). July 2008
细胞分散度检测
生物学效应评价——代谢（脂滴形成和利用）
Functional genomic screen
RNAi-mediated genomic screen
Nature 453:657, 2008
800
1148 1025
841 718
600
547
436
400
310
269
220
186
200
136
67 92 100
2
2
4 13 25 30
0
1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
7 6
5 4
3
2
1 0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
TimImeagePs oint
9
8 Control
7
6
5
4
3
2
1
0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
机理研究
Arginine conjugation affects the endocytic pathways of chitosan/DNA Nanoparticles，JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS RESEARCH ， 2011
细胞特性的研究
细胞粘附
微流控技术在高内涵中的应用
4500 4000 3500 3000 系列21500 2000 1500 1000
500 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
系列1
心肌活细胞功能评价
%% TrTeshhroledshold % %TTrhersheolsdhold
9
8 +Isoproterenol
细胞生物学研究
• 1. 研究的速度——实验速度、通量 • 2. 研究的深度——细胞学、亚细胞学 • 3. 研究的广度——细胞形态分析、蛋白表达、蛋白含
量、蛋白表达位置、蛋白表达变 化……
细胞生物学的研究工具： 流式细胞仪 显微镜（荧光显微镜、激光共聚焦显微镜、活细胞工作站等） 高内涵分析系统
流式细胞仪
sCMOS：
高动态范围 高分辨率 高速度 低噪声
心肌细胞跳动和钙离子变化 （100 fps）
Images acquired on the ImageXpress Micro XL
药物和细胞特殊效应的检测——细胞耐药性
7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000
0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
• 轴突长度 • 分支 • 突起的笔直度 • 神经胞体面积
生物学效应评价——干细胞、前体细胞
Exploring the regulation of human neural precursor cell differentiation using arrays of signaling microenvironments
60X-100X 亚细胞水平的细胞评价和分析
60X 物镜
100X 物镜
线粒体分析
线粒体平均长度分析
线粒体变化分析（线状 线粒体面积/球状线粒体 面积）
线粒体分支数量分析
组别
加药组 对照组
组别
加药组 对照组
组别
加药组 对照组
结果
1.42um/个 1.69um/个
结果
1.27 2.35
结果
8 21
肾上腺素
基线
维拉帕米
10
活细胞生物学过程
活细胞自动追寻
活细胞追踪与测量
药物特性和对多种细胞周期的影响
根据细胞GFP表达情况分析细胞周期
区分GFP高表达、弱阳性和阴性细胞的细胞周期（GFP-）
GFP高表达细胞细胞周期
GFP+细胞细胞周期分析
区分GFP高表达、弱阳性和阴性细胞的细胞周期
100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
TimeImPagoesint
iPSC诱导分化的心肌细胞
心肌跳动分析
Beats/min
Acetylcholine
55
50
45
40
35
30
25
-6 Control -2
0
2
4
Log[acetylcholine] μM
Caffeine
50
40
30
20
10 -5 Control -3 -2 -1 0 1 2 3 Log [Agonist] μM
高内涵技术在细胞学研究中的最新应用
周旋 Cellular Imaging Group, Molecular Devices
Creating Molecular Devices
Broad Application in Research & Drug Discovery
A Global Presence
• Mit-E-Ψ™ (BIOMOL)
Viable Early Apoptotic Late Apoptotic Necrotic
细胞毒性的检测
Untreated Control
0.0046 uM Antimycin A 0.014 uM Antimycin A
Number of verified new references per year citing MetaMorph (source: HireWire Press from Stanford University)
Number of known published papers
1400
1200 1000
http://mpibcms.biochem.mpg.de/en/rg/lipidrophe/index.html
胰岛素诱导脂肪的吸收和合成
H33342 segmentation
QBT FAU segmentation
Combined segmentation
胰岛素对于3T3-L1 脂肪细胞和成纤维细胞摄取的影响
生物学效应——免疫细胞分析
生物学效应评价——抗肿瘤药效分析 TNF- 诱导 NF-kB 核转位.
Andrea L. Kasinski, Yuhong Du, Haian Fu, et. al,
Mol Pharmacol 74:654–661, 2008
生物学效应评价——神经系统
Nogo-A的N-末端区域抑制轴突生长
生物学研究
• 在体研究——器官层面 （模式动物）
• 基因层面——RNAi,基因芯片 • 蛋白层面——蛋白质组学 • 生化层面——酶，通路等 • 细胞层面——形态学 • 亚细胞层面——亚细胞形态学
细胞层面——最常用
以细胞为对象，通过细胞功能、形态等生物学 效应为目标，检测细胞形态学、功能学和蛋白 表达。
细胞增殖、细胞凋亡、细胞死/活，细胞分类、细胞迁移，细胞分散……
药物的毒性分析
细细胞胞健凋康亡度分析模、块细胞健康度分析、细胞死/活分析
• 应用 • 肿瘤 • 免疫学 • 神经元疾病
• 细胞分类 • 活细胞 • 凋亡早期 • 凋亡晚期 • 坏死细胞
• 可达3波长
• 试剂盒
• Vybrant® #3 (Mol. Probes)
激光自动聚焦——无光毒性和光漂白 无药物干预对照组
GFP 细胞内表达，不会因为细胞凋亡而亮度下降 RFP，能够反映线粒体膜电位变化，能够反映出细胞凋亡
图像自动聚焦——强烈的光漂白和光毒性
“光引擎”固态光源： 1. 亮度高 2. 全光谱 3. 寿命长 4. 光源极其稳定
sCMOS： 1.低噪声，高灵敏 度 2. 高速度 3.高分辨率
是否有抑制作用?? 抑制程度（%） ??
Fenghua Hu and Stephen M. Strittmatter, Yale University School of Medicine
J. Neurosci. 28(5):1262–1269, 2008
轴突生长
original image
segmented image
或外界刺激对细胞作用的综合生物学评价。
“高内涵”——
高——功能多，多种多样的细胞学应用 高——分析参数多，对几乎所有应用均可进行 分析 高——通量大，速度快
“高”——速度快，通量大
“高”——功能多，多种多样的细胞学应用
各种规格多孔板
玻片
普通培养皿 共聚焦专用培养皿
细胞芯片、组织芯片
模型动物——在体层面研究
对照
肾上腺素
维拉帕米
通过钙流检测心肌跳动
Positive Chronotropes
(speed up)
Negative Chronotropes (slow down)
Beats/ 23 sec
20
18
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1e-4
0.001
0.01
0.1
1
ConCcoencnenttrartiaon,tuiMon, M
GFP-H
GFP-L GFP Neg
% Late M (CellCycle) [Cell Measurement]
% Early M (CellCycle) [Cell Measurement]
% G2 (CellCycle) [Cell Measurement]
% S Phase (CellCycle) [Cell Measurement]
1. 观察的通量大，细胞多，能够进行稀有事件的检测 2. 观察稳定无漂移 3. 能够对活细胞进行一系列的分析
活细胞的观察和培养
激光自动聚焦：无光漂白和光毒性， 能够进行长时间细胞观察
图像自动聚焦：细胞损害大，有文献 表明无法进行长时间细胞观察
激光自动聚焦 （300ms）：快速+活细胞
High precise XYZ stage
0.041 uM Antimycin A 0.123 uM Antimycin A 0.370 uM Antimycin A
1.111 uM Antimycin A 3.333 uM Antimycin A 10 uM Antimycin A
AcuityXpress Analysis of Toxic Compounds
Glial-like cells
Yoav Soen, Patrick O Brown, et. al , Stanford University
Molecular Systems Biology , 2006
Neuron-like cells
神经前体细胞的分化
Global analysis of differentiation
Beats/min
Beats/min
Beats/min
Epinephrine
50
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-5 Control -3 -2 -1
0
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Log [Agonist] μM
Isoproterenol
50
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-5 Control -3 -2 -1
0
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Log [Agonist] μM
心肌跳动 – Calcium 5
显微镜
什么是高内涵分析？
• 用于药物研究和其他生物学研究的以细胞为单位的方法 • 全自动荧光成像 • 高通量显微图像分析
高
内
涵
显Hale Waihona Puke Baidu镜
成
(活细胞工作站，激光
共聚焦显微镜)
像
筛
选
流式细胞仪
10
科学概念
对每个细胞进行多通道、多靶点的荧光扫描检 测，由成像技术捕获图像信息后，经专用分析系统 进行多指标在线分析，最终高效率地定量获取药物
% G0/G1 (CellCycle) [Cell Measurement]
根据细胞GFP表达情况分析细胞周期
MetaXpress – 以 MetaMorph® 为核心
• MetaMorph – 强大的图像工具
• 过去二十年发展起来的 • 针对成像研究发展起来 • 拥有整套的图像处理算法和工具 • Journaling 功能可以方便定义分析过程—无需软件专业知识
血管生成
• MetaXpress 获取 Z-序列图像 • 每一个图像都只有部分血管在焦
平面
Images courtesy of Min Wu, BD Biosciences
蛋白表达研究
自由进行分析，分析无限制
★可选透射光组件 ★可选加样器 ★可选机械臂
活细胞长时间观察分析——药物长期效果分析
• 设定用户自定义的实验步骤 • 在 2x下进行整孔成像 • 分析检测目标物体 • 载物台自动移至物体进行40X成像 • 在单个位点收集动力学数据
2x, transmitted light / GFP
10x, GFP (heart)
细胞层次的细胞生物学研究
4X 物镜
10X 物镜
大通量，细胞水平的检测、评价和分析
生物学效应评价——损伤与修复研究
Mol Cancer Ther 7(7). July 2008
细胞分散度检测
生物学效应评价——代谢（脂滴形成和利用）
Functional genomic screen
RNAi-mediated genomic screen
Nature 453:657, 2008
800
1148 1025
841 718
600
547
436
400
310
269
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186
200
136
67 92 100
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4 13 25 30
0
1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
7 6
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1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
TimImeagePs oint
9
8 Control
7
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0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
机理研究
Arginine conjugation affects the endocytic pathways of chitosan/DNA Nanoparticles，JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS RESEARCH ， 2011
细胞特性的研究
细胞粘附
微流控技术在高内涵中的应用
4500 4000 3500 3000 系列21500 2000 1500 1000
500 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
系列1
心肌活细胞功能评价
%% TrTeshhroledshold % %TTrhersheolsdhold
9
8 +Isoproterenol
细胞生物学研究
• 1. 研究的速度——实验速度、通量 • 2. 研究的深度——细胞学、亚细胞学 • 3. 研究的广度——细胞形态分析、蛋白表达、蛋白含
量、蛋白表达位置、蛋白表达变 化……
细胞生物学的研究工具： 流式细胞仪 显微镜（荧光显微镜、激光共聚焦显微镜、活细胞工作站等） 高内涵分析系统
流式细胞仪
sCMOS：
高动态范围 高分辨率 高速度 低噪声
心肌细胞跳动和钙离子变化 （100 fps）
Images acquired on the ImageXpress Micro XL
药物和细胞特殊效应的检测——细胞耐药性
7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000
0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
• 轴突长度 • 分支 • 突起的笔直度 • 神经胞体面积
生物学效应评价——干细胞、前体细胞
Exploring the regulation of human neural precursor cell differentiation using arrays of signaling microenvironments
60X-100X 亚细胞水平的细胞评价和分析
60X 物镜
100X 物镜
线粒体分析
线粒体平均长度分析
线粒体变化分析（线状 线粒体面积/球状线粒体 面积）
线粒体分支数量分析
组别
加药组 对照组
组别
加药组 对照组
组别
加药组 对照组
结果
1.42um/个 1.69um/个
结果
1.27 2.35
结果
8 21
肾上腺素
基线
维拉帕米
10
活细胞生物学过程
活细胞自动追寻
活细胞追踪与测量
药物特性和对多种细胞周期的影响
根据细胞GFP表达情况分析细胞周期
区分GFP高表达、弱阳性和阴性细胞的细胞周期（GFP-）
GFP高表达细胞细胞周期
GFP+细胞细胞周期分析
区分GFP高表达、弱阳性和阴性细胞的细胞周期
100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
TimeImPagoesint
iPSC诱导分化的心肌细胞
心肌跳动分析
Beats/min
Acetylcholine
55
50
45
40
35
30
25
-6 Control -2
0
2
4
Log[acetylcholine] μM
Caffeine
50
40
30
20
10 -5 Control -3 -2 -1 0 1 2 3 Log [Agonist] μM
高内涵技术在细胞学研究中的最新应用
周旋 Cellular Imaging Group, Molecular Devices
Creating Molecular Devices
Broad Application in Research & Drug Discovery
A Global Presence