在一項(xiàng)新的研究中，日本研究人員發(fā)明了一種新的細(xì)胞識(shí)別和分選系統(tǒng)，并稱之為鬼影細(xì)胞測(cè)定儀（Ghost Cytometry）。這種系統(tǒng)將一種新的成像技術(shù)與人工智能（AI）結(jié)合在一起以史無前例地高通量速度識(shí)別和分選細(xì)胞。他們希望他們的方法將用于識(shí)別和分選在患者血液中的循環(huán)癌細(xì)胞、能夠加速藥物發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)基于細(xì)胞的醫(yī)學(xué)療法的療效。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年6月15日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Ghost cytometry”。
日本東京大學(xué)的Sadao Ota副教授說，“鬼影細(xì)胞測(cè)定儀將有助于需要在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分類的研究人員并且讓需要快速地和準(zhǔn)確地分離和診斷細(xì)胞樣品的臨床醫(yī)生受益。”
在這項(xiàng)研究中，這些研究人員證實(shí)鬼影細(xì)胞測(cè)定儀能夠分選至少兩種不同類型的具有相似大小和結(jié)構(gòu)的細(xì)胞，而且很少發(fā)生分選錯(cuò)誤。鬼影細(xì)胞測(cè)定儀能夠以每秒1萬多個(gè)細(xì)胞的速度識(shí)別細(xì)胞，并且以每秒數(shù)千個(gè)細(xì)胞的速度對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分類?，F(xiàn)存的細(xì)胞分選機(jī)器不能夠區(qū)分具有相類似形狀的細(xì)胞類型。人類專家借助顯微鏡通常以每秒少于10個(gè)細(xì)胞的速度識(shí)別和分選細(xì)胞，而且有時(shí)還具有較差的準(zhǔn)確度。
鬼影細(xì)胞測(cè)定儀的名稱是指這種技術(shù)分析最小光波數(shù)據(jù)的獨(dú)特方式，它無需將任何光數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖片；它是一種不產(chǎn)生圖像的成像技術(shù)。當(dāng)前的識(shí)別不同類型細(xì)胞的方法依賴于這些細(xì)胞的顯微圖片，隨后計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別程序或人類觀察者基于這些顯微圖片對(duì)這些細(xì)胞進(jìn)行分類。依賴于完整的圖像使得實(shí)時(shí)高通量的細(xì)胞分選成為一種難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。
Ota說，“在這個(gè)研究項(xiàng)目開始時(shí)，我們是一個(gè)由年輕科學(xué)家組成的小團(tuán)隊(duì)，而且實(shí)驗(yàn)室裝備簡(jiǎn)陋。鑒于我們的資源有限，我們專注于最有效的信息使用方式，而不是構(gòu)造更好的硬件。這讓我們產(chǎn)生一種想法：不以傳統(tǒng)方式開發(fā)新的基于圖片的技術(shù)，而是將視覺信息轉(zhuǎn)換為允許通過機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行快速處理的格式。”Ota是開發(fā)這種技術(shù)的由光學(xué)成像專家、生物工程師、生物物理學(xué)家和機(jī)器學(xué)習(xí)專家組成的一個(gè)跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)的一員。這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的一些成員還創(chuàng)立了旨在將這種設(shè)備商業(yè)化的ThinkCyte公司。
Ota說，“有時(shí)候沒有染色劑、染料或其他的生物標(biāo)志物來有效地標(biāo)記不同類型的細(xì)胞或同一細(xì)胞的不同激活狀態(tài)。這時(shí)正是鬼影細(xì)胞測(cè)定儀對(duì)臨床醫(yī)生、患者和研究人員特別有價(jià)值的時(shí)候。”
在鬼影細(xì)胞測(cè)定儀中，每次一個(gè)細(xì)胞通過單個(gè)像素檢測(cè)相機(jī)下方的狹窄通道，這個(gè)像素檢測(cè)相機(jī)檢測(cè)每個(gè)細(xì)胞發(fā)出的熒光。這種對(duì)光波的理解無需將它們轉(zhuǎn)換成完整的圖像，這就使得鬼影細(xì)胞測(cè)定儀成為一種不產(chǎn)生圖像的視覺系統(tǒng)。配備有機(jī)器學(xué)習(xí)算法的電路與單個(gè)像素檢測(cè)相機(jī)連接在一起，并且學(xué)習(xí)每種細(xì)胞類型的獨(dú)特光波模式以便在10微秒內(nèi)識(shí)別細(xì)胞。這種電路隨后發(fā)送電信號(hào)來推動(dòng)細(xì)胞根據(jù)它們的類型進(jìn)入正確的分選通道。
這種機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)不需要圖像來分析細(xì)胞，但是如果研究人員需要圖像進(jìn)行額外的分析，那么這個(gè)像素檢測(cè)相機(jī)確實(shí)能夠捕獲足夠的信息來數(shù)字化地重建通過這種細(xì)胞測(cè)定系統(tǒng)的細(xì)胞的傳統(tǒng)二維圖片。
這種鬼影細(xì)胞測(cè)定儀涉及利用以一種獨(dú)特的方式對(duì)任何一種細(xì)胞類型進(jìn)行染色的熒光染料對(duì)細(xì)胞進(jìn)行染色。這些研究人員當(dāng)前正在進(jìn)行的研究項(xiàng)目正在探究更先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)程序和成像技術(shù)能夠完全消除熒光染色的可能性。
這是首個(gè)超快的熒光成像活化細(xì)胞分選（fluorescence imaging-activated cell sorting）技術(shù)，它能夠高通量地從物理上相類似的細(xì)胞混合物中分離出一種特定的細(xì)胞類型。ThinkCyte公司計(jì)劃今年與研究機(jī)構(gòu)合作，利用鬼影細(xì)胞測(cè)定儀啟動(dòng)腫瘤學(xué)和再生醫(yī)學(xué)臨床研究項(xiàng)目。該公司已開發(fā)出鬼影細(xì)胞測(cè)定儀的一臺(tái)樣機(jī)，并計(jì)劃在2019年將它的研究用測(cè)試設(shè)備商業(yè)化。
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