نقش حیاتی نظارت غیر تهاجمی در فرهنگ سلول مدرن

فرهنگ سلولی همچنان سنگ بنای تحقیقات زیست پزشکی، توسعه دارو و بیوفیاسیون از نظر تاریخی، ارزیابی سلامت و رفتار سلول مورد نیاز نمونه برداری تهاجمی، لکه دار شدن یا اختلال فیزیکی است - متادهایی که استرس، آلودگی خطر را معرفی می کنند و می توانند زیست شناسی بسیار تحت مطالعه را تغییر دهند. ظهور تکنیک های نظارت غیر تهاجمی این محدودیت ها، امکان مداوم، مشاهده واقعی بدون حفظ فرهنگ حیاتی و دقیق، به ویژه تغییر این محیط زیست و نظارت طولانی مدت است.

روش های غیر تهاجمی به محققان اجازه می دهد تا تغییرات پویا در مورفولوژی سلولی، متابولیسم و بقا را در حالی که حفظ وضعیت بومی فرهنگ را فراهم می کند، در نتیجه این رویکرد نه تنها کیفیت داده را بهبود می بخشد بلکه تعداد حیوانات مورد نیاز برای آزمایش های خاص را کاهش می دهد و با 3Rs (تغییر، کاهش، بهبود) در تحقیق مطابقت دارد.

تکنولوژی های تصویربرداری نوری: بدون لمس

تصویربرداری نوری به مراتب فراتر از میکروسکوپ های استاندارد روشن میدان تکامل یافته است. تکنیک های پیشرفته برچسب بدون برچسب در حال حاضر اجازه می دهد تا مشاهده دقیق ساختار سلول و عملکرد بدون استفاده از رنگ های بیرونی که می تواند سمی یا قابل لمس باشد، در میان این، میکروپی های فاز و کنتراست تداخل (DIC) میکروپی ها تصاویر با کنتراست بالا از سلول های شفاف، ردیابی زمان واقعی و تقسیم بندی را فراهم می کند.

مرحله-Contrast و Quantitative phase

میکروکپی فاز تغییر فاز در نور عبور از سلول ها به شدت تغییرات، آشکار کردن جزئیات دقیق معماری سلولی، تحولات اخیر در تصویربرداری فاز کمی (QPI) استخراج داده های عددی مانند توده خشک سلول، ضخامت و شاخص نوسانی را نشان می دهد.این به محققان اجازه می دهد تا تجمع زیست توده ها را در زمان واقعی بدون برچسب گذاری مطالعه 2021 نشان دهند که QP می تواند قبل از تغییرات سلول های اولیه (Fto) و تغییرات مورفولوژیکی (شکلات) را پیش بینی کند.

تزریق آنفولانزا با Probes غیر تهاجمی

در حالی که میکروارگانیسم های فلورانس سنتی اغلب نیاز به لکه دار شدن دارند، سنسور های زیستی کدگذاری شده ژنتیکی (به عنوان مثال، پروتئین های فلورسنت حساس به pH، کلسیم یا حالت رینواکس) می توانند توسط خود سلول ها بیان شوند.[۷] هنگامی که با سیستم های تصویربرداری سلول های زنده خودکار ترکیب می شوند، این سنسورها شرایط داخل سلولی را به طور مداوم بدون مداخله خارجی گزارش می دهند، به عنوان مثال، سلول های بیان یک الکترود حساس به غشایی (Fphyme) می توانند به یک نوروفی عصبی یا تغییرات نورولوژیکی عصبی را به یک پنجره تزریق کنند.

Spectroscopy برق: شمارش سلول ها توسط امضا برق

طیفوسکوپی برق (EIS) مخالفت با جریان متناوب را اندازه گیری می کند، زیرا از طریق یک فرهنگ سلولی عبور می کند. سلول های Adherent به عنوان عایق عمل می کنند، بنابراین تغییرات در ناتوانی به طور مستقیم با شماره سلول، مورفولوژی و کیفیت دلبستگی آن، این تکنیک غیر مخرب است و می تواند در صفحات چندول یا زیست بوم مینیاتوری اجرا شود، و آن را ایده آل برای نظارت بالا.

تحلیل سلول های زمان واقعی (RTCA)

سیستم های تجاری مانند پلت فرم xCELLigence از الکترودهای طلایی جاسازی شده در صفحات کوچک تر برای ضبط مداوم ناتوانی استفاده می کنند، محققان می توانند چسبندگی سلولی، تکثیر و سیتوتوکسین را در زمان واقعی مشاهده کنند.[۱] یک کاربرد رایج، غربالگری سمیت مواد مخدر است: اضافه شدن یک ترکیب باعث کاهش فوری در عدم تعادل به عنوان سلول های گرد و تنظیم مجدد می شود (همچنین یک اندازه گیری دقیق از گیرنده القاء E69 است).

عدم بهره برداری در فرهنگ های 3D و Scaffolds

از آنجا که فرهنگ سلول به سمت ارگانوئیدها و سازه های مهندسی شده با بافت حرکت می کند، EIS برای محیط های سه بعدی سازگار شده است، اما توانایی دنبال کردن میکروالکترونیک رشد در داخل هیدروژل ها یا داربست ها، محققان می توانند تکثیر سلولی و رسوب ماتریس اضافی را در طول هفته ها نظارت کنند.

Raman Spectroscopy: اثر انگشت مولکولی بدون برچسب

طیفوسکوپی Raman از پراکندگی بی نظیر نور مونوکروماتیک برای تولید اثر انگشت طیفی از پیوندهای مولکولی درون سلول ها بهره می برد، زیرا هر بیومولکول – پروتئین ها، چربی ها، اسید های هسته ای، کربوهیدرات ها – یک امضای منحصر به فرد Raman دارند، این تکنیک می تواند تغییرات بیوشیمیایی را در سطح سلول های تک بدون هیچ گونه لکه یا تغییرات ژنتیکی شناسایی کند.

برنامه های نظارت بر متابولیسم

میکروspectrوسکوپی Raman برای دنبال کردن تغییرات متابولیک در طول تمایز سلول های بنیادی (به عنوان مثال، پیشرفت سرطان و پاسخ دارو) استفاده شده است، به عنوان مثال، افزایش در اوج طیف در ۷۵۰ سانتیمتر -1 (سیتکروم c) سیگنال های فعال سازی زنجیره حمل و نقل الکترون، در حالی که تغییرات در منطقه 2850 سانتی متر -1 (CH2 کشش) نشان دهنده تجمع چربی خودکار است که در حال حاضر می تواند یک نقشه بالا (NIR) تولید کند.

چالش ها و پیشرفت های فعلی

پراکندگی رامن ذاتا ضعیف است، نیاز به زمان طولانی خرید یا قدرت لیزر بالا که می تواند سلول های فتوااژ را به خود بگیرد، رویکردهای جدید مانند پراکندگی ضد ⁇ Raman (CARS) و تحریک Raman پراکنده شدن سیگنال (SRS) با چندین سفارش از شدت، امکان تصویربرداری ویدئویی همراه با کلاس یادگیری ماشین، این روش ها اکنون می توانند دقت سلول را طبقه بندی کنند (95٪) در زمان واقعی >>

تکنولوژی های نوظهور

اسپترووسکوپی Diالکتریک در تعلیق فرهنگ

در حالی که EIS برای سلول های طرفدار ایده آل است، طیفوسکوپی دی الکتریک (همچنین اندازه گیری خازن) برای فرهنگ های تعلیق مانند مخمر یا سلول های CHO که در پردازش زیستی استفاده می شود، با استفاده از میدان های الکتریکی فرکانس رادیویی، تکنیک اندازه گیری خازن غشای سلول، که به طور خطی با زیست توده های پایدار مرتبط است، این در حال حاضر در بسیاری از مواد استاندارد صنعتی برای برداشت و تغذیه واقعی و تغذیه و تغذیه و تغذیه است.

تکنیک های Resonance

روش های مبتنی بر سونوگرافی (به عنوان مثال، طیفوسکوپی صدا) بررسی فرهنگ های سلولی با ارسال امواج صوتی با شدت پایین از طریق رسانه ها.سرعت صدا و تغییر در حد کاهش با تراکم سلول و تجمع، در حالی که هنوز در مراحل اولیه تجاری سازی، این روش ها مزایای کامل غیر تماس و مقیاس پذیر بودن برای biovolreactors بزرگ را ارائه می دهند.

مزایا و محدودیت های رویکردهای غیر تهاجمی

  • کاهش خطر ابتلا به آلودگی: [FLT 1] هیچ پورت نمونه برداری یا کاوشگرهای تهاجمی به معنای نقاط ورودی کمتری برای میکروبها است.
  • جریان داده های مداوم: سنسورها می توانند هر ثانیه برای هفته ها داده ها را وارد کنند، و رویدادهای گذرا (به عنوان مثال نوسانات در متابولیسم) را که توسط Assays نقطه پایانی از دست رفته است، آشکار می کنند.
  • حفظ یکپارچگی سلول ها: سلول ها بدون عیب و نقص باقی می مانند، اجازه می دهد برنامه های موازی پایین جریان (به عنوان مثال برداشت برای توالی RNA).
  • بینش بیولوژیکی حساس: اندازه گیری دینامیک می تواند بین اثرات سیتوتو سمی و سیتواستاتیک یا بین اوایل و اواخر آپوپتووز تمایز قائل شود.
  • محدودیت: برخی از تکنیک ها، مانند Raman Specoscopy، نیاز به ابزار محاسباتی گران قیمت و تجزیه و تحلیل پیچیده است.

ادغام با Bioreactors خودکار و Cloud Platforms

پتانسیل واقعی نظارت غیر تهاجمی زمانی تحقق می یابد که این سنسورها به سیستم های خودکار زیستی یکپارچه شوند.برنامه های کاربردی، طیف سنج های Raman و میکروسکوپ های خودکار می توانند توسط یک نرم افزار مرکزی که پارامترهای زیست محیطی (pLT، دما، منبع تغذیه) را در پاسخ به داده های سلول های واقعی تنظیم می کند، کنترل شوند و بازخورد حلقه بسته می تواند بیش از استراتژی های اتصال ابری باشد که به حداکثر رساندن منابع انسانی (F) و سیستم های اتصال داده شده است.

مسیر های آینده و چالش ها

در حالی که تکنولوژی های شرح داده شده در بالا در حال حاضر جریان های کاری تحقیقاتی را تغییر داده اند، چندین مانع (LT) قبل از تبدیل شدن به جهانی شدن باقی مانده اند. استانداردسازی یک مسئله مهم است: خروجی هر ابزار به طور متفاوتی فرمت شده است، و مقایسه متقابل-LT 2: تلاش توسط سازمان هایی مانند موسسه ملی ایالات متحده و فناوری (NIST) برای توسعه تخصص های آموزشی محدود (FI) نیاز به اندازه گیری های مختلف دارد.

با نگاهی به جلو، همگرایی نظارت غیر تهاجمی با میکروفلدیک ها و فن آوری ارگان-on-a-chip وعده کنترل بی سابقه بر محیط های میکروسلول را می دهد.حساس های جاسازی شده در میکروکانال ها می توانند سلول های فردی را در طول روز ردیابی کنند، نشانه های مکانیکی (شکار، سفتی) را به پاسخ های بیوشیمیایی مرتبط می کند، زیرا قدرت محاسباتی و هزینه های کاهش می یابد، این روش ها احتمالا به ابزار استاندارد برای هر فرهنگ سلولی تبدیل می شوند.

نتیجه گیری

نظارت غیر تهاجمی فرهنگ سلول دیگر لوکس نیست، بلکه یک ضرورت برای تکنیک های مدرن بیوتکنولوژی است، مانند میکروسکوپ های فاز-قرارداد، طیفوسکوپی الکتریکی، و طیفوسکوپی Raman ارائه داده های غنی، زمان واقعی بدون به خطر انداختن قابلیت زیست فرهنگ و یا انعطاف پذیری. با اتخاذ این روش ها، محققان می توانند هزینه ها، بهبود کیفیت داده ها، و نظارت بر توسعه سلول های جدید، تجزیه و تحلیل های چند بعدی را کاهش دهند.