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公司新闻/正文
药物研发的“火眼金睛”—Amnis®系统在细胞全景绘制上的应用
84 人阅读发布时间：2026-01-15 12:26
美丽的肖像照不只是人类的特权，如图1所示，细胞也拥有自己的炫彩美照！这项给细胞的重要细胞器染色后进行多彩成像的技术，叫做Cell Painting（细胞全景绘制）。这些绚丽的图片不仅具有“高颜值”，还承载着极其重要的功能—通过染色建立每种细胞类型的标准表型特征谱，可用于在药物研发的过程中，区分正常细胞与对药物治疗产生反应的细胞。
图1：Amnis®系统上获取的Cell Painting图像
Cell Painting技术的极大优势在于其使用标准化的方案，无需为每个待测试的新化合物开发新的检测方法。使用荧光染料对各种细胞组分进行染色，然后用化合物处理细胞后，分析图像以提取大量形态学特征。
目前，通过高内涵筛选（HCS）来获取Cell Painting的数据是一种常见的方法，然而该方法通常仅应用于在微孔板中培养的贴壁细胞上。而Cytek® Amnis® ImageStream®X Mk II成像流式系统不仅可以检测消化下来的贴壁细胞，同时还可进行悬浮细胞的Cell Painting，实现对多种细胞类型的表征。下述实验将详细展示采用Amnis®系统对药物处理后的细胞进行Cell Painting的应用。
实验
材料和方法
1
细胞制备和染色
苯乙双胍是一种双胍类药物，曾用于治疗糖尿病，因其通过抑制线粒体复合物I而具有较高诱发乳酸酸中毒的倾向，现已退出药品市场。使用浓度为0-2mM的苯乙双胍处理K562细胞72h，随后按照图2中的实验流程处理细胞。使用表1中抗体和染料对未处理和处理后的K562细胞进行染色，以识别各种细胞的组分，包括白细胞膜蛋白CD45、细胞核、核仁、线粒体、内质网、高尔基体以及细胞骨架。
图2：Cell Painting的实验流程
表1：染料、荧光素、细胞靶标和在Amnis®系统上使用到的荧光通道
2
获取与分析
使用苯乙双胍处理后的K562细胞，在Cytek® Amnis® ImageStream®X Mk II成像流式细胞仪上设置侧向散射（SSC）、405 nm、488 nm、561 nm和642 nm激光参数。对于每个补偿样本（采集时，关闭明场和SSC通道），采集1000个细胞；对于每个全染样本（采集时开启明场和SSC通道），采集10,000个细胞事件（表2）。
使用IDEAS®分析软件进行数据分析，表2中展示了全染样本和补偿样本的采集参数和激光设置。此外，还使用IDEAS®软件中的机器学习（Machine Learning）模块创建了一个自定义分类器，该分类器结合了对苯乙双胍反应最显著的特征，以量化细胞形态变化，并建立细胞的表型特征谱。
表2：使用ImageStream®X Mk Ⅱ系统
采集完全染色样本和补偿样本的设置
实验
结果
使用面积参数（Area Ch1）和横纵轴比参数（Area Ch1）从细胞群中圈选出单细胞，图1展示了在Amnis®系统上使用40X物镜获取的图像集，展示了明场、SYTO 14、MTO、ConA-AF594、CD45-PECy5、Hoechst、WGA-AF647和phalloidin-AF750的单通道染色结果，以及SYTO 14/CD45/MTO/WGA和ConA/Hoechst/phalloidin通道的复合图像。图3展示了使用60X物镜捕获的未经药物处理的细胞和使用2mM苯乙双胍处理后的细胞图像。
图3：Amnis®系统上捕获的未经药物处理
和使用2mM苯乙双胍处理后的细胞图像
为了进一步确定Amnis®系统是否能检测到苯乙双胍对线粒体的影响，我们使用苯乙双胍处理K562细胞，并进行了剂量-效应曲线检测，观察各药物剂量处理后MTO的Bright Detail Intensity of R3 (半径小于3像素的明亮的点的强度) 特征参数的平均值，以确定各剂量间图像中是否存在局部强度变化（图4），结果显示图像中的强度变化随剂量升高而增加。
图4：苯乙双胍剂量反应曲线
检测Bright Detail Intensity of R3特征参数的平均值
为了确定最高比较剂量，我们使用IDEAS®软件中的凋亡向导（Apoptosis Wizard）分析了0mM至2mM药物剂量处理后凋亡细胞的数量（图5）。然后，我们将数据导入IDEAS®的机器学习（Machine Learning, ML）模块中进行筛选，使用费舍尔判别比Rd值（衡量区分度的参数）发现，在2,810个特征中，有62个特征有助于最大化处理组与未处理组之间的区分度。
图5：不同剂量苯乙双胍处理后的凋亡细胞的计数
使用创建的自定义机器学习（ML）分类器的平均值绘制的剂量-效应曲线（图6）显示了苯乙双胍剂量增加后，分类器的均值增大，处理组和未处理组之间区分越明显。
图6：自定义机器学习（ML）分类器平均值的
苯乙双胍剂量-反应曲线显示随着剂量的增加，响应增大
通过ML分类器识别出的处理组与未处理组之间的变化列于表3，图3则展示了处理组与未处理组样本之间的变化。
表3：药物处理后，使用机器学习分类器检测到的变化
结论
-
Cell Painting是药物研发过程中的一个强大工具，有助于揭示各类化合物的靶向治疗效果；
-
使用Cytek® Amnis® ImageStream®X Mk II成像流式细胞仪，成功对未经药物处理和经药物处理的染色后的悬浮细胞进行成像，并区分了不同感兴趣的细胞组分；
-
使用IDEAS®软件的机器学习模块，我们能够识别出受药物处理影响的其他细胞器，并根据Rd值对其受影响的特征进行排序。
参考文献
1. Bray MA, Singh S, Han H, Davis CT, Borgeson B, Hartland C, Kost-Alimova M, Gustafsdottir SM, Gibson CC, Carpenter AE. Cell Painting, a high-content image-based assay for morphological profiling using multiplexed fluorescent dyes. Nat Protoc. 2016 Sep;11(9):1757-74. doi: 10.1038/nprot.2016.105. Epub 2016 Aug 25. PMID: 27560178; PMCID: PMC5223290.
2. Gustafsdottir SM, Ljosa V, Sokolnicki KL, Anthony Wilson J, Walpita D, Kemp MM, Petri Seiler K, Carrel HA, Golub TR, Schreiber SL, Clemons PA, Carpenter AE, Shamji AF. Multiplex cytological profiling assay to measure diverse cellular states. PLoS One. 2013 Dec 2;8(12):e80999. doi: 10.1371/journal.pone.0080999. PMID: 24312513; PMCID: PMC3847047.
3. Kwong SC, Brubacher J. Phenformin and lactic acidosis: a case report and review. J Emerg Med. 1998 Nov-Dec;16(6):881-6. doi: 10.1016/s0736-4679(98)00103-6. PMID: 9848705.
4. Weinberg SE, Chandel NS. Targeting mitochondria metabolism for cancer therapy. Nat Chem Biol. 2015 Jan;11(1):9-15. doi: 10.1038/nchembio.1712. PMID: 25517383; PMCID: PMC4340667.