2024.10.12

揭秘Holomonitor：智能定量相位成像技术QPI，让实时细胞研究更精准！

光学显微镜自诞生以来，一直是人类探索微观世界的重要工具，在众多领域中发挥着不可或缺的作用。然而，传统光学显微镜只能获取样品的平面性的信息，难以对透明样品（如活体细胞）进行高清成像。因此，研究人员迫切需要一种非标记显微技术，以便在自然状态下实现对透明样品的长期高清跟踪观察。

独特的定量相位成像技术

定量相位成像（Quantitative Phase Imaging, QPI）是一种针对透明样品的无标记成像技术，为活细胞的成像观察带来一种全新的高度，可以从未标记的细胞样本中获取丰富的信息以及更多的定量数据。

图1.QPI的原理及优势

QPI的原理是利用光在通过样品时的相位变化与亮度之间的关系，测量样品的折射（相位）特性，然后通过相关算法生成独立的振幅与相位图像，通过计算机软件重建样品图像。因此，定量相位成像能够在不添加任何外部试剂的情况下，实现对无标记样本的安全、高分辨率成像，且定量反映被测样品的相位信息，这有效克服了传统化学染色方法所带来的光漂白、毒性及数据质量不稳定等问题。

Holomonitor成像系统

活细胞动态全息定量成像分析系统Holomonitor采用独特的数字全息术，实现了定量相位成像。该系统配备数字图像传感器、低功率二极管照明和完整的计算机算法，通过测量光线在穿过未染色细胞时方向的变化，从而量化细胞特性。由于没有任何光会被细胞吸收而对细胞造成伤害，因此细胞完全不受影响。这使得Holomonitor能够对培养箱中的细胞进行无损成像、量化和长期监测，实现无标记、无细胞毒性完成视野内所有细胞的3D成像，能够提供完整的细胞形态学参数的定量分析。

图2.Holomonitor原理图示

Holomonitor技术优势

1.高分辨率和高对比度

与传统的成像方法，如相差显微镜（（phase contrast microscopy，PCM）相比，QPI能提供信息更丰富的细胞图像。PCM通过将透明样本引起的相位移转换为振幅变化，获得未标记样本的高对比度图像。然而，这种方法仅能在二维空间中测量，要获取空间体积信息，通常需要手动沿光学轴扫描样本。此外，PCM的定性特性可能限制一致性分析，来自不同用户与成像系统变量的校准问题，可能导致不一致和不可重复的实验结果。

图3.细胞相差图像（左）和Holomonitor数字全息图（右）

相较之下，Holomonitor系统独特的QPI生成的细胞图像可以明显的与黑色背景区别开来，并且3D图像也更加直观与精准。这种精准且稳定的对比使得计算机可以准确的完成三维细胞成像，并且获得包括厚度、面积在内的多达30多种的全息成像所独有的细胞表型特征数据。

2.实时动态成像

HoloMonitor系统在设计之初便注重紧凑性，使其能够轻松放入细胞培养箱中，并在高湿环境中长时间运行。在无干扰的条件下，实时监测细胞动态，既减少了对细胞的干扰，又提高了实验的效率。与传统的“终点法”不同，HoloMonitor能够实时观察细胞的迁移、分裂等动态过程，这对于生物学研究和药物筛选具有重要意义。

图4.HoloMonitor内置在培养箱内实时观测细胞

3.无标记、无损成像

传统显微成像只能提供细胞的2D图像，无法从3D层面来研究细胞的形态变化。并且传统成像技术往往需要对细胞进行标记或染色，而这些染料往往具有一定的毒性，会不同程度上影响细胞活动，带来错误的研究数据和结果，同时被标记过的细胞无法被重复利用于下游研究，造成细胞浪费。

HoloMonitor采用了数字全息技术，在成像过程中无需对细胞进行染色或其他处理，从而使细胞保持了原始活性和生物学功能。这种无标记特性使得实验后获得的细胞仍可继续利用，不仅提高了实验效率，也有效节省了宝贵的细胞资源。因此,HoloMonitor在再生医学和细胞治疗领域具有巨大的应用潜力。

图5.案例：无标记细胞的死亡分类

目前，PHI公司正与维克森林再生医学研究所（WFIRM）及再生医学开发组织（ReMDO）密切合作，利用HoloMonitor系统的优势，构建一个用于细胞质量控制和数据存储的综合性系统。此项目旨在提升细胞培养过程的效率和准确性，以确保再生医学研究和应用的高标准质量。

图6.QPI是细胞友好型细胞质量控制的关键

4.强大的定量分析能力

传统的终点法检测，只能得到一个简单的终点结果，无法了解细胞的动态过程，甚至失去一些重要信息，而导致不准确或错误的结论。HoloMonitor采用激光全息技术，能够精确定位单个细胞，并提供完整的单细胞迁移轨迹、速率和多达30种细胞形态学参数。

图7. 案例：HoloMonitor跟踪单细胞运动

此外，用户可以利用先前实验中捕获的活细胞数据，通过软件设置进行重新分析，从中提取细胞动态参数和繁殖速率等相关信息。这种方法使得一组细胞在单次实验中可以获得多种应用分析结果，从而显著提高数据的利用效率。这些分析结果为再生医学和细胞治疗的应用提供了重要的参考依据，有助于推动相关领域的发展与创新。通过深入挖掘数据，用户能够更好地理解细胞行为，进一步优化治疗方案，提高治疗效果和患者的恢复速度。

图8.一次实验可获得多种应用数据

定量相位成像推进生物医学研究

毫无疑问，QPI是一种无标记活细胞成像不可或缺的方法，而Holomonitor代表了细胞成像技术的一次重要进步。它不仅克服了传统相差显微镜的局限性，还为生物医学研究提供了更高质量的数据和更广泛的应用前景。通过利用这一先进的成像技术，我们能够更深入地理解细胞生物学，为疾病机制研究和新药开发提供强有力的支持。

如您对HoloMonitor系统有任何疑问或需求，欢迎随时与我们联系。典奥生物科技将竭诚为您提供优质的服务与支持。