數(shù)字全息技術(shù)HoloMonitor在循環(huán)腫瘤細胞檢測中的應(yīng)用研究

結(jié)直腸癌作為轉(zhuǎn)移風(fēng)險第二高的惡性腫瘤，在西方人群中發(fā)病率居高不下。其致命威脅主要源自循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）形成的遠處轉(zhuǎn)移灶，這些具有異常表型的細胞群體直接導(dǎo)致了約20%的結(jié)直腸癌相關(guān)死亡。研究表明，此類腫瘤細胞常伴有CD44等表面標(biāo)志物的高表達現(xiàn)象，同時其形態(tài)特征的細微變化與侵襲性增強和不良預(yù)后呈現(xiàn)密切關(guān)聯(lián)。

近期發(fā)表于《Photonics》期刊的一項新研究，創(chuàng)新性地運用數(shù)字全息細胞術(shù)HoloMonitor M4系統(tǒng)，對三種轉(zhuǎn)移性與兩種非轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌細胞系開展了深入的形態(tài)學(xué)分析。該研究通過構(gòu)建涵蓋細胞面積、厚度、體積及不規(guī)則度的多參數(shù)識別體系，成功實現(xiàn)了癌細胞與外周血單個核細胞（PBMCs）的精確區(qū)分。令人矚目的是，即便在癌細胞占比低至5%的混合樣本中，該技術(shù)仍展現(xiàn)出強大的識別效能，可實現(xiàn)兩類細胞的準(zhǔn)確區(qū)分。

這一重要進展充分證實了數(shù)字全息細胞術(shù)作為高效、無標(biāo)記新型檢測工具的巨大潛力，特別適用于懸浮體系中不同尺寸細胞的精準(zhǔn)鑒別。更重要的是，該技術(shù)具備與生物標(biāo)志物檢測聯(lián)用的廣闊前景，為結(jié)直腸癌相關(guān)循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）的檢測研究提供了新的技術(shù)思路。  
數(shù)字全息細胞術(shù)：無標(biāo)記細胞分析的新興工具
數(shù)字全息細胞術(shù)（Digital Holographic Cytometry, DHC）是一種基于定量相位成像（QPI）的先進活細胞分析技術(shù)。該技術(shù)通過記錄激光穿透細胞時產(chǎn)生的全息圖像，重建出細胞的三維形態(tài)與光學(xué)厚度分布，從而能夠?qū)�細胞體積、面積、厚度及不規(guī)則度等多項形態(tài)參數(shù)進行高精度、非侵入式的測量。
與傳統(tǒng)依賴染色或標(biāo)記的熒光顯微術(shù)相比，DHC無需任何標(biāo)記處理，從根本上避免了熒光標(biāo)記可能帶來的光毒性和光漂白干擾，支持對活細胞進行長時間動態(tài)觀測。這一特性使其在分析循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）等脆弱且稀有的細胞類型時，展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。  
技術(shù)路徑與實驗設(shè)計
研究團隊采用 HoloMonitor M4 系統(tǒng)結(jié)合配套軟件AppSuite 進行數(shù)字全息細胞術(shù)（DHC）分析，實現(xiàn)自動化細胞分割及形態(tài)參數(shù)提取。實驗主要分為三個階段：
1. 單一細胞系形態(tài)分析
對五種結(jié)直腸癌細胞系（COLO 205、Caco-2、NCI-H508、LS411N、SNU-C1）、MCF7乳腺癌細胞及外周血單個核細胞（PBMCs）分別進行單獨培養(yǎng)與DHC分析，獲取各類細胞在面積、厚度、體積及不規(guī)則度等方面的形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。初步結(jié)果表明，COLO 205細胞與PBMCs的形態(tài)特征最為接近，因此選定該細胞系用于后續(xù)混合模型研究。
2. 混合細胞模型分析
為驗證DHC在低豐度條件下的檢測能力，研究將COLO 205細胞與PBMCs按設(shè)定比例（如10:90、5:95）混合，模擬循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）在血液中的稀有狀態(tài)。通過DHC實時成像與形態(tài)參數(shù)分析，系統(tǒng)評估該技術(shù)對少量癌細胞的識別與區(qū)分效能。
3. 分子標(biāo)志物驗證
為進一步確認細胞身份并探究上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）狀態(tài)，研究輔以流式細胞術(shù)對上皮標(biāo)志物EpCAM及間質(zhì)標(biāo)志物CD44進行檢測，從而與形態(tài)學(xué)分析結(jié)果相互印證。
 
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與結(jié)果
1. 細胞形態(tài)參數(shù)存在顯著差異
盡管 COLO 205 細胞與 PBMCs 的形態(tài)較為接近，但數(shù)字全息細胞術(shù)（DHC）分析顯示，前者的平均細胞面積（162.7 µm² vs 36.5 µm²）和平均光學(xué)厚度（8.8 µm vs 4.1 µm）均顯著高于 PBMCs。其他結(jié)直腸癌細胞系（如 Caco-2、SNU-C1）在體積和面積上差異更為明顯（圖3）。 2. 低豐度混合條件下仍可高效識別
在 COLO 205 細胞僅占 5% 的混合樣本中，DHC 技術(shù)仍能準(zhǔn)確識別并區(qū)分兩類細胞，檢測準(zhǔn)確率與預(yù)設(shè)的細胞比例高度一致（圖4）。 3. 形態(tài)參數(shù)與分子標(biāo)志物分析結(jié)果互補
流式細胞術(shù)結(jié)果顯示，COLO 205細胞高表達上皮標(biāo)志物EpCAM而低表達間質(zhì)標(biāo)志物CD44，PBMCs的表達模式則恰恰相反。這一發(fā)現(xiàn)表明，將形態(tài)學(xué)分析與分子標(biāo)志物檢測相結(jié)合，能夠更全面地表征細胞類型及其功能狀態(tài)（圖5）。  
HoloMonitor技術(shù)優(yōu)勢與應(yīng)用價值
本案例展示了HoloMonitor數(shù)字全息細胞術(shù)在循環(huán)腫瘤細胞（CTC）研究中的顯著技術(shù)優(yōu)勢：

• 無標(biāo)記與非侵入性：無需染色或標(biāo)記，更大程度保持細胞原生狀態(tài)，支持對活細胞進行長期、動態(tài)的觀察。
• 高通量與多參數(shù)分析：單次掃描即可同時獲取數(shù)十項細胞形態(tài)參數(shù)，顯著提升分析效率與數(shù)據(jù)豐富度。
• 高靈敏度與特異性：即使在CTC占比很低（如5%）的復(fù)雜細胞混合樣本中，仍能實現(xiàn)準(zhǔn)確識別與區(qū)分。
• 良好的技術(shù)兼容性：可與微流控、熒光成像等平臺相結(jié)合，構(gòu)建多維、高內(nèi)涵的細胞分析體系。

在臨床應(yīng)用層面，該技術(shù)在體外細胞檢測領(lǐng)域的應(yīng)用，或可為液體活檢相關(guān)研究提供新的參考方向。為實現(xiàn)CTC的快速篩查、癌癥早期診斷、療效評估及復(fù)發(fā)監(jiān)測提供有力工具。此外，其在藥物篩選、細胞毒性評價、免疫細胞功能分析等研究領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。
 
總結(jié)與展望
本研究通過建立體外循環(huán)腫瘤細胞（CTC）模型，證實了HoloMonitor數(shù)字全息細胞術(shù)可在無需標(biāo)記的情況下，有效區(qū)分結(jié)直腸癌細胞與白細胞。該技術(shù)所具備的高精度形態(tài)分析能力，不僅為CTC檢測提供了新的技術(shù)路徑，也為腫瘤生物學(xué)研究提供了更接近體內(nèi)真實環(huán)境的活細胞分析平臺。
展望未來，隨著人工智能與機器學(xué)習(xí)算法的進一步融合，HoloMonitor數(shù)字全息細胞術(shù)有望實現(xiàn)更智能化的細胞自動分類與病理診斷，從而為精準(zhǔn)醫(yī)療的發(fā)展提供更強大的工具支持。
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