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

結直腸癌作為轉移風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）形成的遠處轉移灶，這些具有異常表型的細胞群體直接導致了約20%的結直腸癌相關死亡。研究表明，此類腫瘤細胞常伴有CD44等表面標志物的高表達現(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后呈現(xiàn)密切關聯(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HoloMonitor M4系統(tǒng)，對三種轉移性與兩種非轉移性結直腸癌細胞系開展了深入的形態(tài)學分析。該研究通過構建涵蓋細胞面積、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，該技術仍展現(xiàn)出強大的識別效能，可實現(xiàn)兩類細胞的準確區(qū)分。

這一重要進展充分證實了數(shù)字全息細胞術作為高效、無標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鑒別。更重要的是，該技術具備與生物標志物檢測聯(lián)用的廣闊前景，為結直腸癌相關循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）的檢測研究提供了新的技術思路。  
數(shù)字全息細胞術：無標記細胞分析的新興工具
數(shù)字全息細胞術（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。該技術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)與光學厚度分布，從而能夠對細胞體積、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)依賴染色或標記的熒光顯微術相比，DHC無需任何標記處理，從根本上避免了熒光標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。  
技術路徑與實驗設計
研究團隊采用 HoloMonitor M4 系統(tǒng)結合配套軟件AppSuite 進行數(shù)字全息細胞術（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)學基礎數(shù)據(jù)。初步結果表明，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)評估該技術對少量癌細胞的識別與區(qū)分效能。
3. 分子標志物驗證
為進一步確認細胞身份并探究上皮-間質轉化（EMT）狀態(tài)，研究輔以流式細胞術對上皮標志物EpCAM及間質標志物CD44進行檢測，從而與形態(tài)學分析結果相互印證。
 
關鍵發(fā)現(xiàn)與結果
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（DHC）分析顯示，前者的平均細胞面積（162.7 µm² vs 36.5 µm²）和平均光學厚度（8.8 µm vs 4.1 µm）均顯著高于 PBMCs。其他結直腸癌細胞系（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 技術仍能準確識別并區(qū)分兩類細胞，檢測準確率與預設的細胞比例高度一致（圖4）。 3. 形態(tài)參數(shù)與分子標志物分析結果互補
流式細胞術結果顯示，COLO 205細胞高表達上皮標志物EpCAM而低表達間質標志物CD44，PBMCs的表達模式則恰恰相反。這一發(fā)現(xiàn)表明，將形態(tài)學分析與分子標志物檢測相結合，能夠更全面地表征細胞類型及其功能狀態(tài)（圖5）。  
HoloMonitor技術優(yōu)勢與應用價值
本案例展示了HoloMonitor數(shù)字全息細胞術在循環(huán)腫瘤細胞（CTC）研究中的顯著技術優(yōu)勢：

• 無標記與非侵入性：無需染色或標記，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%）的復雜細胞混合樣本中，仍能實現(xiàn)準確識別與區(qū)分。
• 良好的技術兼容性：可與微流控、熒光成像等平臺相結合，構建多維、高內涵的細胞分析體系。

在臨床應用層面，該技術在體外細胞檢測領域的應用，或可為液體活檢相關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域也具有廣泛的應用前景。
 
總結與展望
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)字全息細胞術可在無需標記的情況下，有效區(qū)分結直腸癌細胞與白細胞。該技術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路徑，也為腫瘤生物學研究提供了更接近體內真實環(huán)境的活細胞分析平臺。
展望未來，隨著人工智能與機器學習算法的進一步融合，HoloMonitor數(shù)字全息細胞術有望實現(xiàn)更智能化的細胞自動分類與病理診斷，從而為精準醫(yī)療的發(fā)展提供更強大的工具支持。
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