高内涵成像与AI图像分析重塑高通量动脉芯片研究

2026-02-11 11:17:17, 安淼美谷分子仪器（上海）有限公司

此次与大家分享的文献发表于 2025 年 4 月的《Lab on a Chip》期刊，作者团队来自荷兰 Mimetas 公司等机构。

心血管疾病（CVD）是全球首要死因，然而近年来获批的新疗法数量却明显减少。目前，针对 CVD 的新药研发仍无公认的金标准，现有的临床前模型也无法有效转化为临床疗效。因此，迫切需要建立能够更精准模拟人类疾病进程的体外模型。研究团队开发了一种基于 OrganoPlate^® 2-lane-48 UF 微流控芯片的动脉芯片模型，该模型通过重力驱动的单向或双向流动，模拟健康与病变动脉的生理特征，采用人冠状动脉内皮细胞（HCAECs）单培养或与人冠状动脉平滑肌细胞（HCASMCs）共培养体系，为 CVD 的药物筛选和病理机制研究提供了高通量、更贴近生理状态的体外模型。

高内涵相关实验设计

设备型号：

ImageXpress Micro XLS、ImageXpress Micro Confocal （Molecular Devices）。

实验目的：

获取细胞培养过程中的形态学图像、免疫荧光染色图像，用于分析细胞排列、标志物表达、脂质积累等指标。

应用场景：

1. 细胞培养动态监测：

在培养第 3-5 天，对 OrganoPlate 中的芯片进行 4 倍放大相差成像，观察 HCAECs 单培养或 HCAECs/HCASMCs 共培养体系的血管形成过程。

单向流与双向流下的 HCAECs 血管模型（Scale bar: 200 μm）

单向流与双向流下的 HCAECs/HCASMCs 共培养血管模型（Scale bar: 200 μm）

研究人员首先进行 OrganoPlate 接种和单向流、双向流建立。先接种细胞外基质（ECM），之后将 HCAECs 与 HCASMCs 以一定比例接种，可形成最稳定血管。分别以单、双向流条件培养。培养第 4 天，选定芯片加入 1 ng mL⁻¹ TNFα+ 1 ng mL⁻¹ IL-1β 的 MV2 培养基，处理 24 h。第 3–5 天，使用 ImageXpress Micro XLS（Molecular Devices）对所有芯片进行 4X 相差成像。结果图显示，单向流动条件下，HCAECs 伸长并沿流动方向排列，而双向流动条件下细胞保持鹅卵石样形态；共培养体系中，单向流动使血管舒张并维持稳定，双向流动则导致血管收缩。

2. 免疫荧光成像：

培养第 5 天，将 OrganoPlate 芯片用含钙镁的 HBSS 缓冲液配制的 3.7% 甲醛溶液固定，进行免疫荧光染色。细胞经固定和染色后，通过 ImageXpress Micro Confocal 高内涵进行自动化成像，获取 CD31、VE–Cadherin、纤维连接蛋白、ICAM-1、BODIPY（脂质探针）等标志物的荧光图像，成像参数为 10 倍物镜下，沿微流控通道高度以 5 μm 增量扫描。结果显示，单独培养时，单向流动条件下，HCAECs 伸长并沿流动方向排列，而双向流动条件下细胞保持鹅卵石样形态；共培养体系中，单向流动使血管舒张并维持稳定，双向流动则导致血管收缩。

单/双向流条件下的血管的最大投影图像和 3D 重建图（上图为 HCAEC vessel，下图 HCAEC/HCASMC vessel，Scale bar: 50 μm）

IN Carta 软件（version 2.1）

参与的实验细节

核心功能：

基于深度学习的图像分割与量化分析，聚焦 VE-钙粘蛋白（VE-Cadherin）相关指标。

分析流程：

导入 MetaXpress 转换后的图像，利用 SINAP 模块预训练的细胞核深度学习网络（DCNN）分割 Hoechst 染色的细胞核区域。

训练两个专用 DCNN：一个分割 VE-Cadherin 染色的细胞连接网络（阳性区域），另一个分割连接间的细胞间隙（阴性区域）。
提取形态学、信号强度、位置和纹理描述，结合阴性区域掩码分析其他标志物的相关数据，排除小于 5 μm 或通道外的异常目标。

单向流与双向流下 HCAEC/HCASMC 共培养血管中 VE-Cadherin 的分布差异

通过 IN Carta 软件对 VE-Cadherin 信号的分割与分析，直观展示了单向流与双向流下 HCAEC/HCASMC 共培养血管中 VE-Cadherin 的分布差异——单向流组的 VE-Cadherin 连接更线性、均匀，双向流组连接更厚且模糊，这一结果直接来自软件对“阳性连接区域”和“阴性间隙区域”的精准分割量化。

血管收缩量化图与 VE-cadherin 染色图

上图为软件对 VE-Cadherin 总覆盖面积的量化结果，直接用于评估炎症因子处理后血管的收缩程度。说明单向流维持血管内皮完整性、双向流诱导内皮功能障碍。

更多内容参见原文

相关产品链接：

ImageXpress HCS.ai 智能高内涵成像分析系统

关于美谷分子仪器

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