二维光散射静态细胞术及其在白血病检测中的应用研究

发布时间：2020-04-28 20:18

【摘要】：颗粒涉及环境监督、机械制造、食品检测、药物筛查等领域。颗粒尺寸的精确测量不仅影响到产品的质量,而且还与仪器的性能测试及校准密切相关。白血病作为十大恶性肿瘤之一,其发病率和死亡率逐年上升,早发现和个性化治疗是降低白血病死亡率的关键。目前临床上主要依据细胞的化学特性、免疫表型、遗传学特性和临床特征对白血病进行检测,但该类方法操作复杂,时间冗长,依赖细胞的荧光染料标记,并且需要很强的专业技术。光散射检测技术以其简便、快速、精确、重复性好、无破坏性等优点,在颗粒尺寸测量和生物细胞检测领域具有显著优势。本文旨在探究二维光散射静态细胞术在颗粒尺寸测量和白血病细胞检测领域的潜在应用价值。首先,介绍了二维光散射静态细胞检测分析系统,在利用标准微球对其性能进行综合测试后,将其应用于酵母细胞的尺寸测量,及白血病细胞和正常细胞的鉴别分类。之后,对二维光散射静态细胞分析系统的性能进行优化,结合机器学习技术,实现了急性和慢性白血病细胞的自动鉴别分类。本文的主要研究内容及成果如下:(1)分析了影响二维光散射静态细胞检测分析系统测量精度的因素。该系统能够探测79°≤θ≤101°和79° ≤ φ≤101°范围内的二维光散射信息,反演可得到被测颗粒的结构信息。系统功能的模块化设计,使得装置的维护和功能扩展更加方便。(2)实验评估二维光散射静态细胞检测系统的性能指标。利用平均粒径4.19 μm的标准微球样本,通过静态细胞仪探测其2D散射图样,将实验探测结果和Mie散射理论模拟结果进行对比分析,实验和模拟结果的高度吻合论证了二维光散射静态细胞仪的一致性和重复性。利用平均粒径3.87 μm和平均粒径4.19 μm的标准微球样本,通过静态细胞仪对其进行尺寸测量与鉴别分类,将实验测量结果和微球的已知尺寸信息进行对比分析,测量结果和已知信息的高度吻合论证了二维光散射静态细胞仪的分辨率。结果表明,二维光散射静态细胞仪可为颗粒尺寸测量和生物细胞检测提供一种具有亚微米级分辨率的免标记、易操作、低成本的方法和装置。(3)探究了 79°-101°二维光散射静态细胞仪在酵母细胞尺寸测量、及白血病细胞和正常粒细胞鉴别分类领域的应用。酵母细胞尺寸测量的研究论证了二维光散射静态细胞仪在生物颗粒粒度测量方面的应用前景。通过对白血病细胞和正常粒细胞2D散射图样的特征提取分析,利用散斑数量和散斑平均面积这两个特征参量,79°-101°二维光散射静态细胞仪分别以92.5%和100%的准确率将急性髓系白血病细胞HL-60和慢性髓系白血病细胞K562从正常粒细胞中鉴别出来,表明二维光散射静态细胞仪有望为临床上白血病的前期筛查提供一种免标记的二维光散射检测技术和装置。(4)对79°-101°二维光散射静态细胞检测系统进行性能优化。通过对静态液基芯片和二维光散射图样探测模块进行改进,搭建了能够探测26°≤θ≤154°和26°≤φ≤154°范围内二维散射光信息的广角度静态细胞仪。平均粒径3.87μm和平均粒径4.19 μm标准微球实验测试结果和Mie散射理论模拟结果的高度一致性,论证了广角度二维光散射静态细胞仪在40°-100°和26°-154°范围内精确获得被测颗粒广角度二维光散射信息的能力。散射角度范围越广,包含被测颗粒的信息就越多,二维光散射静态细胞仪的物理分辨率就越高。(5)探究了广角度二维光散射静态细胞仪在白血病分型诊断领域的应用。通过广角度静态细胞仪探测急性髓系白血病细胞HL60和慢性髓系白血病细胞K562在26°-154°范围内的2D散射图样,利用灰度差分统计法提取2D散射图样的纹理特征:对比度、角度方向二阶矩和熵,结合SVM机器学习,分别以92%和95%的准确率实现了 HL60细胞和K562细胞的自动鉴别分类。该方法以点带面,对白血病的其他亚型细胞甚至是其他癌症细胞的免标记光散射检测分析有一定的借鉴作用。研究结果表明,本文研发的高精度颗粒尺寸测量和白血病细胞检测的二维光散射静态细胞分析技术,具有成本低、操作简单、特异性强、分辨率高等特点;并且该检测方法无需任何标记,是非侵入式的,不会对被测样本形成干扰,尤其适用于活细胞检测。本研究为临床白血病的前期筛查和分型提供了新的思路,为全血中的白血病细胞检测奠定了一定的基础。
【图文】：

示意图,后向散射,前向,侧向

当细胞被激光激发时，其散射光分为前向散射（Ｆｏｒｗａｒｄｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，ＦＳＣ）、逡逑侧向散射（Ｓｉｄｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，ＳＳＣ）和后向散射（Ｂａｃｋｗａｒｄｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，邋ＢＳＣ），如逡逑图１－１所示。其中，ＦＳＣ主要受细胞的整体大小影响，ＳＳＣ主要和细胞的颗粒逡逑度有关，，而ＢＳＣ则对细胞核与细胞质的大小比例及细胞的光密度变化比较敏感逡逑［７５－７８］。如图１－２所示，相同条件下，散射颗粒的尺寸越大，其ＦＳＣ的散射强度逡逑越强；散射颗粒越复杂，ＳＳＣ的散射强度就越强。Ｍｏｕｒａｎｔ等认为生物细胞大逡逑角度的散射特性主要受线粒体或者和线粒体尺寸相近的其他细胞器的影响，细逡逑胞核则主要影响小角度的散射特性［７９］。Ｂａｃｋｍａｎ等通过对细胞ＢＳＣ光谱的分逡逑析，获得了细胞核大小、折射率、线粒体分布等亚微米或纳米级的细胞结构信逡逑息［８0－８２］，并用于癌前细胞检测［８３］。Ｄｕｎｎ邋等人利用邋Ｆｉｎｉｔｅ－ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ邋ｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎ、逡逑Ｍｉｅ、Ｍｏｎｔｅ邋Ｃａｒｌｏ等理论模拟研宄细胞的光散射性质，为实验研究提供了理论逡逑支持［８４圳。逡逑（ａ）逦散射颗咖寸逦（ｂ）逡逑ｙ邋ｉｓ逦ｓｓｃ散射强度增大＇逡逑Ｓ逦＿邋丨逦Ｉ逦｜逡逑＾逦１１逦ｉ逦Ｓ逦丨？邋＠邋＃逡逑账逦ａ逦｛￡逦

示意图,散射特性,颗粒尺寸,复杂度

逦ＢＳＣ邋（ｉｐ逦ＦＳＣ逡逑ＳＳＣ逡逑图１－１前向、侧向和后向散射示意图逡逑当细胞被激光激发时，其散射光分为前向散射（Ｆｏｒｗａｒｄｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，ＦＳＣ）、逡逑侧向散射（Ｓｉｄｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，ＳＳＣ）和后向散射（Ｂａｃｋｗａｒｄｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，邋ＢＳＣ），如逡逑图１－１所示。其中，ＦＳＣ主要受细胞的整体大小影响，ＳＳＣ主要和细胞的颗粒逡逑度有关，而ＢＳＣ则对细胞核与细胞质的大小比例及细胞的光密度变化比较敏感逡逑［７５－７８］。如图１－２所示，相同条件下，散射颗粒的尺寸越大，其ＦＳＣ的散射强度逡逑越强；散射颗粒越复杂，ＳＳＣ的散射强度就越强。Ｍｏｕｒａｎｔ等认为生物细胞大逡逑角度的散射特性主要受线粒体或者和线粒体尺寸相近的其他细胞器的影响，细逡逑胞核则主要影响小角度的散射特性［７９］。Ｂａｃｋｍａｎ等通过对细胞ＢＳＣ光谱的分逡逑析
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R733.7;R730.4

【参考文献】