在細(xì)胞生物學(xué)與藥物研發(fā)領(lǐng)域，活細(xì)胞分析是揭示生命活動(dòng)規(guī)律、評(píng)估藥物作用機(jī)制的核心手段。然而，傳統(tǒng)熒光標(biāo)記技術(shù)因光毒性、光漂白及化學(xué)干擾等問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、無(wú)損的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。無(wú)標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)通過(guò)捕捉細(xì)胞內(nèi)在物理特性或內(nèi)源性信號(hào)，突破了這一瓶頸，成為活細(xì)胞研究的新范式。本文將從光學(xué)、電學(xué)及計(jì)算成像三大技術(shù)路徑，解析無(wú)標(biāo)記檢測(cè)如何實(shí)現(xiàn)“無(wú)擾”活細(xì)胞分析。
一、光學(xué)衍射層析：重構(gòu)細(xì)胞三維折射率分布
光學(xué)衍射層析成像技術(shù)（Optical Diffraction Tomography, ODT）以衍射理論為基礎(chǔ)，通過(guò)多角度平面波照明獲取散射光場(chǎng)的振幅與相位信息，結(jié)合數(shù)字全息解算與傅里葉逆變換，重構(gòu)細(xì)胞三維折射率分布。折射率作為細(xì)胞內(nèi)部固有的對(duì)比源，可量化反映細(xì)胞器密度、蛋白質(zhì)濃度及膜結(jié)構(gòu)變化。
例如，HoloMonitor?活細(xì)胞動(dòng)態(tài)全息定量成像系統(tǒng)采用數(shù)字全息顯微技術(shù)，無(wú)需任何標(biāo)記即可實(shí)時(shí)追蹤單細(xì)胞形態(tài)、遷移軌跡及增殖動(dòng)力學(xué)。其核心優(yōu)勢(shì)在于：
1.非侵入性：避免熒光染料對(duì)細(xì)胞代謝的干擾，支持長(zhǎng)達(dá)數(shù)周的連續(xù)觀測(cè)；
2.高分辨率：通過(guò)相位恢復(fù)算法實(shí)現(xiàn)亞細(xì)胞級(jí)成像，清晰分辨線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等結(jié)構(gòu)；
3.多模態(tài)融合：可選配熒光模塊，將綠色熒光信號(hào)與全息數(shù)據(jù)結(jié)合，構(gòu)建“形態(tài)-功能”關(guān)聯(lián)分析體系。
在神經(jīng)母細(xì)胞瘤3D培養(yǎng)模型中，該技術(shù)揭示了不同基因型細(xì)胞對(duì)化療藥物的差異化響應(yīng)：MYCN擴(kuò)增型細(xì)胞表現(xiàn)出更強(qiáng)抗凋亡能力，而ALK突變型細(xì)胞對(duì)藥物更敏感。這一發(fā)現(xiàn)為腫瘤精準(zhǔn)治療提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
二、阻抗傳感：監(jiān)測(cè)細(xì)胞生理狀態(tài)的“電信號(hào)指紋”
無(wú)標(biāo)記阻抗檢測(cè)技術(shù)通過(guò)微電極陣列實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)胞在微孔中的生理狀態(tài)變化。當(dāng)細(xì)胞貼附或增殖時(shí)，電極間阻抗值升高；細(xì)胞凋亡或脫落時(shí)，阻抗值下降。這種非接觸式檢測(cè)允許對(duì)同一批細(xì)胞進(jìn)行數(shù)天至數(shù)周的連續(xù)觀察，獲得完整的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)曲線。
Bio-Rad ZE5細(xì)胞分析儀采用該技術(shù)，具備以下特性：
1.高通量：可同時(shí)監(jiān)測(cè)6個(gè)96孔板，時(shí)間分辨率達(dá)每分鐘一次；
2.高靈敏度：可檢測(cè)低至100個(gè)/孔的細(xì)胞數(shù)量變化；
3.動(dòng)態(tài)藥效評(píng)估：在藥物篩選中，可區(qū)分細(xì)胞抑制（生長(zhǎng)停滯）與細(xì)胞毒性（死亡）作用，提供IC50、EC50等關(guān)鍵參數(shù)。
在免疫細(xì)胞治療研究中，該技術(shù)成功實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CTL細(xì)胞對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)殺傷效率與靶細(xì)胞表面PD-L1表達(dá)量呈負(fù)相關(guān)，為優(yōu)化CAR-T療法提供了量化指標(biāo)。
三、計(jì)算成像：突破衍射極限的無(wú)標(biāo)記超分辨
傳統(tǒng)光學(xué)成像受衍射極限限制，難以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率。計(jì)算成像技術(shù)通過(guò)算法優(yōu)化與物理模型融合，突破了這一瓶頸。例如：
1.傅里葉疊層顯微成像（FPM）：通過(guò)相位恢復(fù)算法從多幅低分辨強(qiáng)度圖中重建高分辨復(fù)振幅圖，實(shí)現(xiàn)2倍分辨率提升；
2.光聲成像：利用內(nèi)源性血紅蛋白、脂類等分子的吸收光譜差異，實(shí)現(xiàn)化學(xué)選擇性成像，監(jiān)測(cè)腫瘤血管生成及氧合狀態(tài)；
3.表面等離子體共振（SPR）：通過(guò)金屬膜表面折射率變化檢測(cè)生物分子相互作用，靈敏度達(dá)皮克級(jí)。
在單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)研究中，無(wú)標(biāo)記質(zhì)譜檢測(cè)技術(shù)（Label-Free Quantitation, LFQ）通過(guò)質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度或譜圖數(shù)量定量分析蛋白質(zhì)表達(dá)水平。百泰派克生物科技基于Orbitrap Fusion Lumos質(zhì)譜儀，結(jié)合MaxQuant算法，實(shí)現(xiàn)了高重復(fù)性、低噪聲的蛋白定量，成功揭示肝癌干細(xì)胞與正常肝細(xì)胞在代謝通路上的差異。
四、技術(shù)融合：多模態(tài)無(wú)標(biāo)記檢測(cè)的未來(lái)方向
單一檢測(cè)技術(shù)往往存在局限性，如光學(xué)成像深度不足、電學(xué)檢測(cè)缺乏形態(tài)信息。多模態(tài)融合成為突破瓶頸的關(guān)鍵。例如：
HoloMonitor+熒光：全息成像提供形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)，熒光標(biāo)記定位特定蛋白，揭示細(xì)胞骨架重組與遷移能力的關(guān)聯(lián)；
ODT+拉曼光譜：折射率分布反映細(xì)胞結(jié)構(gòu)，拉曼信號(hào)解析化學(xué)成分，實(shí)現(xiàn)“結(jié)構(gòu)-功能”同步監(jiān)測(cè)；
阻抗+微流控：在3D腫瘤球狀體中，阻抗檢測(cè)穿透球體監(jiān)測(cè)內(nèi)部細(xì)胞狀態(tài)，微流控芯片模擬血流剪切力，構(gòu)建更真實(shí)的生理模型。
總結(jié)
無(wú)標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)通過(guò)光學(xué)、電學(xué)與計(jì)算成像的協(xié)同創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞分析的“無(wú)擾化”與“動(dòng)態(tài)化”。從單細(xì)胞追蹤到3D組織模型，從藥物篩選到疾病機(jī)制解析，這一技術(shù)正在重塑生命科學(xué)研究的范式。未來(lái)，隨著人工智能算法與納米光學(xué)器件的進(jìn)一步融合，無(wú)標(biāo)記檢測(cè)將邁向更高分辨率、更強(qiáng)適應(yīng)性的新階段，為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)與再生醫(yī)學(xué)提供更強(qiáng)大的工具。
