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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