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微納米材料在生物醫(yī)學領(lǐng)域的設(shè)計和使用一直受到研究者的廣泛關(guān)注。賦予微納米材料新穎的結(jié)構(gòu)與功能，使其具有良好的生物安全性和生物相容性已經(jīng)成為現(xiàn)在微納米生物材料的重要發(fā)展方向?，F(xiàn)今，微納米材料的研究橫跨包括藥物載體設(shè)計、基因治療、疫苗開發(fā)、臨床前診斷、組織工程以及高通量篩選等諸多領(lǐng)域。

高內(nèi)涵細胞成像分析系統(tǒng)作為細胞學水平的重要研究工具，貫穿微納米細胞表征的諸多環(huán)節(jié)，在單一實驗中可以同步表征細胞對微納米材料的攝取、靶蛋白表達強度差異以及細胞與亞細胞結(jié)構(gòu)的相關(guān)表型，基于圖像獲取客觀可靠的統(tǒng)計分析結(jié)果，具體應(yīng)用實例如下：

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微納米材料的細胞攝取

由于微納米材料的多樣性導致不同材料具有不同的理化性質(zhì)，這些性質(zhì)會直接或間接影響微納米材料與細胞之間的相互作用。實驗中通過尺寸、組成和表面物理化學性質(zhì)的調(diào)控可以調(diào)節(jié)細胞對不同材料的攝取情況，通常微納米材料通過巨胞飲或者受體介導的內(nèi)吞途徑被目標細胞攝取，并進一步發(fā)揮功能。如圖1所示，研究團隊設(shè)計了一種可以靶向巨噬細胞的金屬有機框架納米藥物Que@MOF/Man，通過Ce6標記后可以通過高內(nèi)涵細胞成像系統(tǒng)和流式細胞儀檢測不同細胞對納米藥物的吞噬能力。實驗結(jié)果表明，修飾甘露糖（Man）的納米藥物可以特異的被巨噬細胞選擇性攝取，相比心肌細胞攝取率有30倍的提升。

圖1：Ce6@MOF/Man的體外靶向能力和巨噬細胞特異性細胞攝取

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細胞運動能力評估

工程化的微納米材料由于尺寸、形狀、表面電荷、官能團等內(nèi)在的物理化學性質(zhì)對各種生物都有一定的毒性，需要進行生物相容性的評估。不但安全性的評價得到深入廣泛的研究，降低或者消除使用過程的副作用也成為重要的研究方向之一。

高內(nèi)涵的無標記分析模塊可以進行長時間動態(tài)觀察，通過Harmony軟件追蹤微納米材料和細胞共培養(yǎng)后細胞的運動軌跡，獲得單細胞的位移參數(shù)，比較不同實驗組的增殖遷移情況。如圖2所示，三聯(lián)吡啶（tPy）修飾Cy7雜環(huán)氮原子的分子（CydtPy）與金屬離子螯合可實現(xiàn)光物理性質(zhì)的調(diào)控，在與Fe2+螯合時可以引發(fā)細胞內(nèi)芬頓反應(yīng)的發(fā)生，從而實現(xiàn)CDT/PTT的協(xié)同治療效果，通過高內(nèi)涵的無標記模式可以進行細胞的長時間追蹤，從而評價腫瘤細胞在不同處理下的運動能力，實驗結(jié)果表明光熱結(jié)合化學動力療法可以有效抑制腫瘤細胞的遷移。

圖2：LET-11-Fe對細胞遷移的影響

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細胞表型變化研究

細胞表型是涉及基因和蛋白表達的多個細胞過程的集合體，這些過程導致細胞特定的形態(tài)和功能改變。微納米顆粒被細胞攝取后會引起細胞表型發(fā)生變化，例如形態(tài)，周期，增殖，凋亡，遷移，自噬等。配合不同染色方案進行高內(nèi)涵細胞成像，可在單細胞水平進行差異化分析，得到多參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果。利用高內(nèi)涵細胞成像進行細胞免疫熒光拍攝和熒光定量分析是微納米材料引起細胞表型改變的重要評價手段，如圖3-4所示。

圖3：不同濃度的rHAP調(diào)控rBMMSCs的成骨和巨噬細胞的極化

圖4：不同處理下A375細胞anti-α-tubulin(綠色)和anti-HIF-1α(紅色)的免疫熒光圖像及定量強度分析

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納米顆粒的滲透表征

評價納米顆粒浸潤組織微環(huán)境的能力，研究人員可以首先構(gòu)建3D微組織模型，再將熒光標記的微納米材料與3D微組織共培養(yǎng)一定時間，配合高內(nèi)涵細胞成像系統(tǒng)進行層掃完成圖像的拍攝。基于拍攝圖像可以通過Harmony軟件對微組織的最大亮度投影進行區(qū)域劃分，針對3D微組織中心區(qū)域進行熒光定量分析，從而比較不同納米顆粒的滲透能力，如圖5所示。

圖5：聲波促進納米顆粒浸潤微組織內(nèi)部

高內(nèi)涵細胞成像與分析系統(tǒng)（HCS，High-content screening）是指在保持細胞結(jié)構(gòu)和功能完整性的前提下，通過自動化細胞成像分析的方法，對多孔板的每一個孔的目的細胞進行單細胞水平的狀態(tài)、變化等多參數(shù)的、總體趨勢的分析。在單一實驗中同步獲取細胞內(nèi)靶蛋白的空間/時間分布、表達強度、細胞與細胞器的形態(tài)和復雜表型、多種細胞亞群的分類等方面的高可靠性的具有統(tǒng)計學意義的分析結(jié)果，同時去除其它細胞與人為誤差的干擾。HCS的結(jié)果由圖像分析所得，兼顧了直觀與批量統(tǒng)計定量的優(yōu)點，同時輸出單細胞和群體細胞的結(jié)果。

參考文獻

1. Hu, Danrong, et al. "Inflammation‐Targeted Nanomedicines Alleviate Oxidative Stress and Reprogram Macrophages Polarization for Myocardial Infarction Treatment." Advanced Science (2024): 2308910.

2. Zhu, Junfei, et al. "Terpyridine-grafted nitrogen-terminal endowing cyanine with metal-ion-regulated photophysical properties for cancer theranostics." Research 6 (2023): 0061.