流式细胞术基本原理专题培训课件.ppt
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- 细胞 基本原理 专题 培训 课件
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1、教学参考书教学参考书 实用流式细胞术彩色图谱。实用流式细胞术彩色图谱。王树奎、周振英主编。2004.4 临床流式细胞分析临床流式细胞分析。王建中主编。上海科学技术出版社。2005.8 流式细胞术原理与应用教程流式细胞术原理与应用教程。吴后男编。北京大学医学出版社。2008.2 实用流式细胞术实用流式细胞术-血液病篇血液病篇。刘艳荣主编。北京大学医学出版社。2010.9 流式细胞术流式细胞术。陈朱波、曹雪涛编。科学出版社。2010.10主要内容主要内容 一、流式细胞仪结构和原理一、流式细胞仪结构和原理 流式细胞术简介流式细胞术简介 流式细胞仪的结构组成流式细胞仪的结构组成 流式细胞仪的光信号检测
2、流式细胞仪的光信号检测 流式细胞术数据的存贮、显示与分析流式细胞术数据的存贮、显示与分析 流式分选流式分选 二、流式细胞术操作与技巧二、流式细胞术操作与技巧 三、流式细胞术在生物医学中的应用三、流式细胞术在生物医学中的应用1.1 流式细胞术简介流式细胞术简介 流式细胞术(流式细胞术(Flow Cytometry,FCM)是以流式细胞仪为检测手段的一项能快速、精确的对单个细胞(或生物学颗粒)的理化特性进行多参数定量分析和分选的技术。 流式细胞仪(流式细胞仪(Flow Cytometer )是集细胞与分子生物学、流体力学、激光技术、光电子技术、计算机技术、细胞荧光化学技术、单克隆抗体技术为一体的一
3、种新型高科技仪器。流式细胞术的特点流式细胞术的特点 检测对象:单细胞悬液或生物颗粒;检测对象:单细胞悬液或生物颗粒; 检测参数:多参数;检测参数:多参数; 检测特点:单细胞水平分析;检测特点:单细胞水平分析; 检测速度:高速,最高达上万个细胞检测速度:高速,最高达上万个细胞/秒;秒; 检测结果:精度高、准确性好;检测结果:精度高、准确性好; 可对目标细胞进行分选;可对目标细胞进行分选; 流式:流式:单个细胞单个细胞分析,收集每个细胞的数据,更精准;分析,收集每个细胞的数据,更精准; WB :群体群体分析,得到多个细胞的平均值。分析,得到多个细胞的平均值。流式细胞仪的发展及商品化流式细胞仪的发展
4、及商品化 1934 Moldavanl: First try (固定式细胞分析固定式细胞分析-流动式流动式); 1953 Crosland-Taylor: 鞘流系统鞘流系统(解决难题解决难题); 1956 Coulter原理原理(血细胞计数器血细胞计数器); 1965 Kamentsky: 分光光度计定量细胞成分和散射光应用;分光光度计定量细胞成分和散射光应用; 1967 Kamentsky等设计了细胞分选的装置;等设计了细胞分选的装置; 1969 Vandilla等等: 第一台荧光检测细胞计第一台荧光检测细胞计(鞘流聚焦、激光鞘流聚焦、激光); 1972 斯坦福大学斯坦福大学: 研制出荧光激
5、活细胞分选仪研制出荧光激活细胞分选仪(FACS); 1973 BD公司与斯坦福大学合作,研制生产第一台商用流公司与斯坦福大学合作,研制生产第一台商用流 式细胞仪式细胞仪-FACS 。 1975 Kohler和和Milstein: 单克隆抗体技术单克隆抗体技术(促进流式发展促进流式发展)。1979年年 国家科委重点项目:国家科委重点项目: 研制国内第一台激光流式细胞仪;研制国内第一台激光流式细胞仪;1982年年 国内第一台三参数激光流式细胞仪诞生;国内第一台三参数激光流式细胞仪诞生;1984年年 国家科委组织科研成果的鉴定验收;国家科委组织科研成果的鉴定验收;1985年年 获国家卫生部科技成果乙
6、等奖;获国家卫生部科技成果乙等奖;1985年年-1990年年 灵敏度灵敏度、信噪比信噪比、更多参数;更多参数; 流式分选仪研制开发;流式分选仪研制开发; 计算机四参数软件;计算机四参数软件; 样品制备、医学生物学应用。样品制备、医学生物学应用。流式细胞仪的分类流式细胞仪的分类 分析型分析型流式细胞仪流式细胞仪 细胞样本分析后最终进入废液桶,不能回收利用。细胞样本分析后最终进入废液桶,不能回收利用。 分选型分选型流式细胞仪流式细胞仪 既能流式分析,还能对分析的目的细胞进行分选;既能流式分析,还能对分析的目的细胞进行分选; 进样管道较长,还需要保持无菌状态,所以分选型流进样管道较长,还需要保持无菌
7、状态,所以分选型流式细胞仪一般只用于分选。式细胞仪一般只用于分选。BD公司分析型流式细胞仪公司分析型流式细胞仪FACS Calibur 双激光四色,市场覆盖率最高LSR II 双激光六色,三激光八色,四激光十色,分析型最高配FACS Canto II 双激光六色,三激光八色FACS Verse双激光六色,三激光八色BD公司分选型流式细胞仪公司分选型流式细胞仪FACSVantage SEFACSAria IIIInfluxBeckman Coulter流式细胞仪流式细胞仪Epics XL 单激光四色,市场覆盖率高,分析型CyAn三激光九色,分析型FC 500 单激光或双激光五色,市场覆盖率高,分
8、析型Gallios 三激光十色,分析型MoFlo XDP 高端分选型1.2 流式细胞仪的结构组成流式细胞仪的结构组成 液流系统液流系统 流动室流动室 液流驱动系统液流驱动系统 光学系统光学系统 激发光源激发光源 光束收集系统光束收集系统 电子系统电子系统 光电转换器光电转换器 数据处理系统数据处理系统 细胞分选系统细胞分选系统 喷嘴喷嘴 电偏转板电偏转板 样本收集器样本收集器1.2.1 液流系统液流系统 鞘流技术:根据层流原理发鞘流技术:根据层流原理发展起来的技术,可以实现两展起来的技术,可以实现两种液体的同轴流动,样本细种液体的同轴流动,样本细胞流位于轴心稳定流动,外胞流位于轴心稳定流动,外
9、面包裹有鞘液面包裹有鞘液(sheath)。 流体动力学聚焦:稳定的液流体动力学聚焦:稳定的液流从截面积较大的部分流入流从截面积较大的部分流入截面积较小的部分后,有一截面积较小的部分后,有一个聚焦收缩作用,细胞流直个聚焦收缩作用,细胞流直径被约束在径被约束在10-20um,避免,避免了多个细胞重叠进入检测区。了多个细胞重叠进入检测区。鞘液鞘液鞘液鞘液细胞流细胞流激光照射点激光照射点流体动力学聚焦示意图流体动力学聚焦示意图(一)(一)流动室流动室和和液流驱动系统液流驱动系统 流动室流动室(flow cell, flow chamber)是流式细胞仪的核心部件。是流式细胞仪的核心部件。流动室中,被测
10、细胞逐个通过,并在此与激光正交。流动室中,被测细胞逐个通过,并在此与激光正交。鞘液Sheath流动室结构图:单细胞发生器流动室结构图:单细胞发生器液流驱动系统液流驱动系统(二)进样速率控制(二)进样速率控制10 psi10.2 psi10 psi10.8 psi 通过改变样本压力可以调节样本的进样速率,而这并通过改变样本压力可以调节样本的进样速率,而这并不是提高样本流的流速,而是改变了细胞之间的距离。不是提高样本流的流速,而是改变了细胞之间的距离。 高速时样本流变宽,单位时间内流经激光照射区的细高速时样本流变宽,单位时间内流经激光照射区的细胞数就增加,这样会导致变异系数增加。胞数就增加,这样会
11、导致变异系数增加。1.2.2 光学系统光学系统(一)(一)激发光源激发光源 :激光器:激光器气体激光器:氩离子气体激光器:氩离子(488nm、355nm)、氦氖、氦氖(633nm)、氪离子、氪离子 (647nm)、氪氩、氪氩(568nm);染料激光器:如氩离子激光泵浦的染料激光器:如氩离子激光泵浦的Rhodomin 6G水溶液染料激水溶液染料激 光器,发出光器,发出550-650nm可变波长激发光;可变波长激发光;半导体激光器:价格低、结构简单、寿命长。半导体激光器:价格低、结构简单、寿命长。BD的的FACS Calibur 已采用已采用635nm半导体激光器。半导体激光器。 激光特点:单波长
12、、高能量、小发射角、高稳定性光照。激光特点:单波长、高能量、小发射角、高稳定性光照。 现在仪器常配有仪器选配现在仪器常配有仪器选配2-4根激光器,波长多为根激光器,波长多为488nm、633nm和和355nm、405nmUV;(二)光(二)光束成行系统束成行系统FCM的的单细胞照明技术单细胞照明技术:这种椭圆形光斑的检测区保证样:这种椭圆形光斑的检测区保证样本中的细胞是一个一个分别受到最大光照。本中的细胞是一个一个分别受到最大光照。细胞流动方向细胞流动方向(三)光收集系统(三)光收集系统 滤光片滤光片的组成的组成 长通滤片长通滤片(LP):只允许特定波长以上的光束通过;:只允许特定波长以上的光
13、束通过; 短通滤片短通滤片(SP):只允许特定波长以下的光束通过;:只允许特定波长以下的光束通过; 带通滤片带通滤片(BP):只允许一定波长范围内的光束通过。:只允许一定波长范围内的光束通过。Long pass Short pass Band pass460 500 540460 500 540460 500 540FACSCalibur流式细胞仪信号检测系统流式细胞仪信号检测系统 透射光路透射光路 全反射光路全反射光路FACS Aria流式细胞仪器信号检测系统流式细胞仪器信号检测系统PE-Cy7PerCP-Cy5.5PE-TexasRedPEFITCSSC1.2.3 电子系统电子系统 光电检
14、测器光电检测器将光信号转换成电子信号。将光信号转换成电子信号。 前置放大电路前置放大电路将信号等比例放大,输出电脉冲信号。将信号等比例放大,输出电脉冲信号。 模数转换器模数转换器将模拟的电脉冲信号转换成数字信号。将模拟的电脉冲信号转换成数字信号。 数据处理系统数据处理系统计算机系统数据采集、分析。计算机系统数据采集、分析。(一)(一)光电检测器光电检测器(photodetector) 光电二极管光电二极管(photodiode)光灵敏度低,测定强信号(光灵敏度低,测定强信号(FSC);); 光电倍增管光电倍增管(photomultiplier, PMT)光灵敏度高,测定弱信号(光灵敏度高,测定
15、弱信号(SSC, FL1, FL2, FL3, FL4)。PMT前向散射光前向散射光光电二极管光电二极管(二)(二)电信号两种放大方式电信号两种放大方式 由于光信号比较弱,需将其等比例放大,方便计算机分析由于光信号比较弱,需将其等比例放大,方便计算机分析处理,一般信号的放大可以使用处理,一般信号的放大可以使用线性线性或或对数对数两种方式。两种方式。 线性线性(linear; lin) 对数对数(logarithmic; log) 一般一般FSC和和SSC变异范围较小,故使用线性放大;荧光信号变异范围较小,故使用线性放大;荧光信号变异范围较大,多使用对数放大。变异范围较大,多使用对数放大。(三)
16、(三)电脉冲信号的面积电脉冲信号的面积A、高度、高度H和宽度和宽度WCreation of a Voltage PulseTimeVoltsPulse AreaPulse HeightPulse Width0Quantification of a Voltage PulseWidth = Area/Height 光信号电信号数字信号光信号电信号数字信号 通道通道(channel) 一个光电检测器就是一个通道,有多少个光电二极管一个光电检测器就是一个通道,有多少个光电二极管/倍倍增管,就有多少个通道:增管,就有多少个通道: 散射光通道散射光通道: FSC通道和通道和SSC通道;通道; 荧光通道荧
17、光通道 通道命名方式:通道命名方式: 以以FL(fluorescence)加数字命名,如加数字命名,如FL1、FL2、FL3等。等。 以该通道接收的主要荧光素命名,如以该通道接收的主要荧光素命名,如FITC通道、通道、PE通道、通道、APC通道等。通道等。 For example:FACSCalibur有有488nm和和633nm两根激光器,两根激光器,488nm能检测能检测FSC、SSC、FL1(FITC)、 FL2(PE)、 FL3(PerCP),635能检测能检测FL4(APC),代表,代表Calibur有有6个通道,最多能同时个通道,最多能同时检测检测4个荧光,个荧光,6种参数。种参数
18、。1.3 流式细胞术光信号检测流式细胞术光信号检测 光信号的类型光信号的类型 散射光信号:散射光信号:与标记荧光素无关,与标记荧光素无关, 是细胞的固有参数。是细胞的固有参数。 前向散射光前向散射光(forward scatter, FSC); 侧向散射光侧向散射光(side scatter, SSC). 荧光信号荧光信号 自发荧光自发荧光 :微弱:微弱 特异荧光:标记的荧光素分子发特异荧光:标记的荧光素分子发出出 的荧光,比自发荧光强很多倍。的荧光,比自发荧光强很多倍。1.3.1 散射光信号散射光信号(一)前向散射光(一)前向散射光FSC FSC信号方向与激光束平行,偏离度一般在信号方向与激
19、光束平行,偏离度一般在1 -6度范围内,度范围内,亦称小角度散射光,主要反映被测细胞的亦称小角度散射光,主要反映被测细胞的体积大小和活力体积大小和活力。(二)侧向散射光(二)侧向散射光SSC SSC方向与激光束和液流形成的平面相垂直,亦称方向与激光束和液流形成的平面相垂直,亦称90度散度散射光,其信号强度反映射光,其信号强度反映细胞内部颗粒度和精细结构的变化细胞内部颗粒度和精细结构的变化。(三)散射光的作用(三)散射光的作用 实验中,常利用实验中,常利用FSC和和SSC这两种参数的组合,区分不同的这两种参数的组合,区分不同的细胞群体,去除碎片、死细胞和粘连细胞的干扰。细胞群体,去除碎片、死细胞
20、和粘连细胞的干扰。粒细胞粒细胞单核细胞单核细胞淋巴细胞淋巴细胞红细胞、死细胞和碎片红细胞、死细胞和碎片死细胞死细胞或碎片或碎片粘连粘连细胞细胞肿瘤细胞株肿瘤细胞株FSC/SSC散点图散点图死细胞死细胞加药处理后加药处理后FSC/SSC散点图散点图 通过通过FSC/SSC散点图,散点图,gate出目标细胞进行分析。出目标细胞进行分析。(三)阈值(三)阈值 Threshold 阈值:溶液中的杂质或者死细胞,很容易产生微小的干扰阈值:溶液中的杂质或者死细胞,很容易产生微小的干扰信号,所以必须设置阈值,排除杂质、细胞碎片或体积较信号,所以必须设置阈值,排除杂质、细胞碎片或体积较小的死细胞。小的死细胞。
21、 FSC反映细胞体积的大小,反映细胞体积的大小,FCM应用时常选取应用时常选取FSC设定阈值。设定阈值。5%32%默认阈值默认阈值升高阈值后升高阈值后1.3.2 荧光信号荧光信号(一)荧光:(一)荧光: 物质中的电子吸收光的能量由低能状态转变物质中的电子吸收光的能量由低能状态转变为高能状态,再回到低能状态时释放出的光。为高能状态,再回到低能状态时释放出的光。发射波长发射波长(荧光波长荧光波长)Emission wavelength激发波长激发波长Excitation wavelength(二)常用荧光素(二)常用荧光素499nm 蓝色荧光(蓝色荧光(Blue); 500-549nm,绿色荧光(
22、,绿色荧光(Green);550-584nm,黄色荧光(,黄色荧光(Yellow); 585-615nm,橙色荧光(,橙色荧光(Orange);616-700nm,红色荧光(,红色荧光(Red); 700nm,远红外荧光(,远红外荧光(Far-Red)。标记抗体的荧光素标记抗体的荧光素荧光素分子荧光素分子激发光波长激发光波长(nm)发射光波长发射光波长(nm)中文名中文名FITC490520异硫氰酸荧光素异硫氰酸荧光素PE488575藻红蛋白藻红蛋白PerCP490675多甲藻叶绿素蛋白多甲藻叶绿素蛋白APC650660别藻青蛋白别藻青蛋白PE-Cy5496/546670藻红蛋白藻红蛋白-花青
23、素花青素5PE-Cy7496/546767藻红蛋白藻红蛋白-花青素花青素7Alexa Flour 488495519Alexa Flour 647650665核酸荧光染料核酸荧光染料PI(碘化丙啶(碘化丙啶 535, 623) 可选择性的插入核酸双螺旋碱基对中。常用可选择性的插入核酸双螺旋碱基对中。常用于于DNA分析,需要用分析,需要用RNase处理细胞排除处理细胞排除RNA对对DNA荧光定量的影响;荧光定量的影响;PI不能透过活细胞膜,常用于鉴定死细胞。不能透过活细胞膜,常用于鉴定死细胞。7-AAD(7-氨基放线菌素氨基放线菌素D 545, 647 ) 以插入的方式与以插入的方式与DNA链的
24、链的G-C碱碱基对结合,不能透过活细胞膜,常用于鉴定死细胞。基对结合,不能透过活细胞膜,常用于鉴定死细胞。DAPI(4,4,6-二脒基二苯基吲哚二脒基二苯基吲哚 358, 456) 可以非嵌入方式与可以非嵌入方式与DNA链上链上的的A-T碱基对特异性结合。变异系数明显小于其他染料,一种理想的碱基对特异性结合。变异系数明显小于其他染料,一种理想的DNA定量染料。定量染料。Hoechst(343, 450)常见为常见为Hoechst33342和和Hoechst33258,非嵌入的,非嵌入的方式与方式与DNA链上的链上的A-T碱基对结合。能对活细胞染色,用于活细胞碱基对结合。能对活细胞染色,用于活细
25、胞DNA定量分析,如精子分选;还用于侧群细胞的分选。定量分析,如精子分选;还用于侧群细胞的分选。PY(派若宁(派若宁 560, 573) RNA染料,能进入活细胞。染料,能进入活细胞。AO(吖啶橙(吖啶橙 509, 525) DNA、RNA染料,染色后染料,染色后DNA呈黄绿色荧光,呈黄绿色荧光,RNA呈橙黄色荧光,可进行呈橙黄色荧光,可进行DNA/RNA双参数分析。双参数分析。其他常用荧光染料其他常用荧光染料测量参数荧光染料激发波长(nm)荧光波长(nm)报告基因GFP475509YFP514527细胞示踪染料CFSE495519FAM488525细胞膜电位DiO-C6485505Rhoda
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