【实验技术学习笔记】流式细胞术（Flow Cytometry）

病理医师

流式细胞术（Flow Cytometry, FC）是用于对悬浮于流体中的微小颗粒进行计数和分选。这种技术可以用来对流过光学或电子检测器的一个个细胞进行连续的多种参数分析。



流式细胞术的基本内容

流式细胞术（是对悬液中的单细胞或其他生物粒子,通过检测标记的荧光信号，实现高速、逐一的细胞定量分析和分选的技术。流式细胞术广泛用于分析细胞表面和细胞内分子的表达、鉴定并确定异质细胞群中的不同细胞类型、评估分离亚群的纯度以及分析细胞大小和容积。这种技术可同时分析单个细胞的多个参数，主要用于测定荧光标记的抗体检测蛋白产生的荧光强度，或结合了特定细胞分子的配体，如碘化丙啶与 DNA 的结合。其染色过程包括从细胞培养物或组织样品制备单细胞悬液。然后将获得的细胞培养在包含未标记或荧光标记抗体的试管或多孔板中，再用流式细胞仪分析。
何时使用流式细胞术

流式细胞术是一种高度通用的应用，可提供简单的单靶标读数或复杂的亚群表型分析以及细胞信号转导分析。由于流式细胞术依赖于悬浮液中的细胞，为让细胞能够流过照明源，其与细胞作为单细胞悬浮液（例如，白细胞）自然存在的生物样品极易相容。然而，黏附细胞甚至是组织样品都可能被流式细胞术当作单细胞悬浮液进行解离和分析。
流式细胞术非常适合于需要在单个细胞水平上获得定量信息，从而获得细胞水平和/或细胞群水平的理解。正在分析的定量信息可提供有关给定类型细胞的数量、该细胞类型中存在的特定蛋白的数量或该蛋白的功能活性的见解，举几个示例。由于可同时收集多个读数，流式细胞术还能实现某细胞水平下各读数之间的相关性。
将此技术与蛋白印迹法等不可逆地将细胞群组合成单个读数的应用形成对比。流式细胞术允许研究人员提出复杂的问题，例如，在治疗作用下，3 种免疫细胞类型中的 2 个关键信号转导通路的活性如何变化，并在几小时内通过标记和在流式细胞分析仪上运行单个样品来得到答案。对于相同的问题，使用蛋白印迹法则需要数天时间才能得到答案。
但并非所有生物学研究问题都能使用流式细胞术解决。组织中细胞的空间分布无法使用流式细胞术进行评估，因为需要在分析前将样品解离为单细胞悬浮液。对于该分析，优先使用免疫组织化学法或组织免疫荧光法。精细亚细胞分析更适合通过荧光和/或共聚焦显微镜进行的分析，但成像流式细胞分析仪在这方面取得迅速进展。基因突变或大规模 mRNA 分析更适合使用测序仪器进行。但是，当涉及快速细胞水平定量时，极少有测定法能够超越流式细胞术。
使用流式细胞术进行快速免疫表型分析

在细胞生物学中，流式细胞术的一种常见用途就是检测和定量样品中存在的细胞类型。由于不同的细胞类型在其表面上表达的蛋白不同，因此可实现细胞检测。抗体可特异性靶向这些蛋白，有效添加一个彩色标记，从而区分一种细胞类型与另一种细胞类型。
该过程称为免疫表型分析，使研究人员能够理解和监测某种异质细胞群中存在的细胞类型的数量和百分比。免疫表型分析有益于表征免疫系统的各种组分，因为这些细胞存在于血液的悬浮液中，并且差异表面蛋白的特征极其明确。比如，人外周血单核细胞 (PBMC) 可以使用免疫表型分析分为各种细胞类型。
免疫表型分析通过抗体荧光标记来实现，这一过程称为偶联。当靶向不同蛋白的抗体与发不同颜色荧光的染料偶联时，即使流式细胞分析仪同时检测到它们，也可对其进行独立分析。同时添加多种抗体的过程称为多重分析。多重分析只能同时涉及 2 种抗体或可延伸至多组抗体。这些抗体组能够实现单个样品内多种免疫细胞类型的免疫表型分析，并且能够提供有关各种关键免疫细胞类型（例如 T 细胞、B 细胞和单核细胞）亚群的更深入理解。
流式细胞术是精选用于免疫表型分析的方法，因为它非常快，每秒能定量数千个细胞。实验设置只需不到 30 分钟的时间，并且在单次检测中检测多个读数的能力意味着可在不到一小时的时间内标记、运行和分析样品。将此技术与蛋白印迹法进行对比，在蛋白印迹法中，不同细胞群只能使用基于抗体的富集步骤进行分析，以选择性纯化细胞。相比之下，这会增加已经很漫长的检测的时间，并且不提供细胞水平分析，从而无法评估纯化细胞群中的异质性。
使用流式细胞术进行表型分析的另一个优势在于，该方法适合活细胞。因此，一些仪器能够在进行后续实验分析后，保留特定的细胞群。此功能通常仅限于被称为分选仪的仪器。
荧光激活细胞分选法 (FACS)

可实时使用正在通过流式细胞分析仪测定的特性，以在物理方面将细胞分选进不同的容器中。该过程需要一种称为细胞分选仪的特殊型流式细胞分析仪，且该过程称为荧光激活细胞分选法 (FACS)。特定荧光读数或读数集将定义为将该细胞放在一个特定容器中的临界值。这些读数可能来自细胞内的荧光蛋白，或者来自标记细胞的荧光抗体。FACS 中常使用暴露在细胞表面上的免疫表型标记物，因为可以在细胞活着时使用抗体标记这些标记物。研究人员通常倾向于对活细胞进行分选，以便可使用经隔离的细胞群进行后续实验。
使用胞内流式细胞术进行信号转导研究

大多数关键生物过程都发生在细胞内。因此，虽然细胞表面上的蛋白可以用来检测细胞类型，但胞内蛋白的丰度和活性可驱动几乎所有的细胞过程。对胞内蛋白进行定量的能力可提供对细胞生物学的机制见解，并能发现疾病状态下的异常活动。
各蛋白的数量并不是细胞能够进行调节和进行生物活动的唯一方法。当细胞需要传递来自细胞表面受体的信号时或在细胞本身内各种条件的刺激下，翻译后修饰 (PTM) 通常是永久性保存该信号的一种关键方法。PTM 在定义蛋白的基因序列中未编码，而是在蛋白翻译后发生的改变。PTM 通常包括通过添加一个小分子（例如磷酸盐、乙酰基或甲基）来修饰蛋白内的单个氨基酸。PTM 还可包括添加一个小蛋白，例如泛素，或甚至是特定氨基酸序列蛋白的裂解物。
PTM 的目的通常是改变蛋白的活性、稳定性或功能，并且 PTM 中的原理就是磷酸化。磷酸化是细胞信号转导级联中研究最透彻的修饰。在磷酸化过程中，磷酸基被添加到蛋白内的氨基酸（通常是丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸）上。氨基酸的磷酸化（有时与其他同时发生的磷酸化事件相结合）通常会改变蛋白的功能。酶磷酸化可以作为激发酶的开关，从而使其能够作用于其特异底物。该酶的功能可能是磷酸化一系列靶蛋白，从而启用或禁用其在细胞内的功能。磷酸化具有以下优点，即让细胞能够使已合成的现有关键功能蛋白进行某项活动，但在需要进行这项活动前，需保持此蛋白处于失活状态。当信号提示细胞需要进行这项活动时，细胞无需耗费时间来制造执行该项活动所需的酶和蛋白，而只需使用快速磷酸化级联来打开“开启”开关。
抗体具有特异性，因此仅当某蛋白在特定氨基酸上被磷酸化时，它们才能够结合该蛋白。如果蛋白仅在某个氨基酸上被磷酸化后才能发挥功能，那么抗体结合的量就是细胞内该蛋白功能活性的直接读数。这些抗体称为磷酸化特异性抗体，它们为研究人员提供了强大的工具来了解某种实验处理可能对细胞生物活性产生的影响。它们能够发现特异性改变生物学过程的复合物，这通常是识别潜在治疗药物的第一步。
使用磷酸化特异性抗体通过流式细胞术可轻松检测磷酸化活动。实际上，凭借其灵敏度、定量和细胞水平数据采集，流式细胞术非常适合于细胞群中磷酸化的分析。这种方法称为“磷酸化流式细胞术”，以将其与活细胞流式细胞术区分开来。进行此区分的原因在于几乎所有的蛋白磷酸化都发生在细胞内这一事实，甚至对于跨过细胞膜的那些蛋白也是如此。因此，使用磷酸化特异性抗体必然需要这样一个实验步骤，从而让抗体能够跨过质膜并到达细胞内的靶标。此外，必须固定细胞以阻止其生物活性并防止磷酸化水平在实验过程中发生变化。虽然在活细胞流式细胞术中不使用固定和通透，但是这些步骤很简单，并且不需要改变流式细胞分析仪即可对一般性的磷酸化或蛋白水平进行胞内检测。
流式细胞仪：射流





图 1.流式细胞仪概览。鞘液使细胞悬液聚拢，依次通过激光束，一次仅一个细胞。检测器会检测前向和侧向散射光，以及染色细胞发射的荧光。
当细胞悬液通过流式细胞仪时，从小喷嘴中流出的细胞悬液在鞘液的流体力学作用下向中心聚拢。形成的细流可使细胞依次通过激光束，一次仅一个细胞（图 1）。
​​​​当细胞通过激光束时，检测器会检测细胞或颗粒的散射光。前面的检测器检测前向散射光 (FS)，放置在侧面的多个检测器检测侧向散射光 (SS)，荧光检测器则检测被染色的细胞或颗粒发射的荧光。
​​流式细胞仪：前向和侧向散射光的测定

细胞或颗粒通过光束并使光散射，这些散射光将以 FS 或 SS 的形式检测。FS 与细胞的大小相关，SS 则与细胞颗粒度成比例。因此，通常可根据细胞大小和颗粒度差异区分细胞群。



图 2.绿色激光打到细胞上时的光散射。光的散射方向与细胞大小和颗粒度有关。

血液样本流经流式细胞仪的情况可有力地说明散射光与细胞的关系。

• 尺寸和颗粒度较大的粒细胞形成一个较大的细胞群，SS 和 FS 都很强
  
• 单核细胞尺寸较大，但其颗粒度较小，因此形成一个单独的群，FS 较强但 SS 较弱
  
• 较小的淋巴细胞和淋巴母细胞也行成一个单独的群，FS 较弱。由于这两种细胞都不是颗粒细胞，因此产生的 SS 也较弱
  

因此，根据不同的 FS 和 SS 可将这些细胞分成不同的细胞群。

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图 3.FS 与 SS 散点图。每一个散点到代表被流式细胞仪检测到的一个单细胞，不同细胞群的特征位置依据细胞大小和颗粒度确定。参考图片出处：Riley 和 Idowu，Principles and Applications of Flow Cytometry（流式细胞术的原理和应用）*。
流式细胞仪：散射光和荧光的测定

与根据 FS 和 SS 区分细胞群类似，可根据是否表达特定蛋白区分细胞。这种情况下，通常使用荧光染料对目标蛋白进行染色。用于检测目标蛋白的荧光染料被相应激发波长的激光激发后会发射荧光。这些被荧光染色的细胞或颗粒会被单独检测。
受流式细胞仪中一组滤光片和镜子的作用，前向和侧向散射光以及染色细胞发射的荧光会被分成既定的波长并分配通道。荧光会被过滤，以使各传感器仅检测特定波长的荧光。这些传感器称为光电倍增管 (PMT)。



图 4.荧光会被过滤，以使各 PMT 仅检测特定波长的光。PMT 会将光子能量转换成电信号，即电压。
如图 4 所示，FITC（异硫氰酸荧光素）通道中，PMT 仅检测 FITC 发射的波长在 519 nm 附近的光。PE 通道中，PMT 仅检测 PE（藻红蛋白）发射的波长在 575 nm 附近的光。各 PMT 还会检测其他的荧光染料，这些染料发射的荧光波长与其要检测的荧光染料发射的荧光波长相似。
流式细胞仪中装有一组滤光片，以将相应波长的光子引导至特定的 PMT 上（图 5）。



图 5.流式细胞仪中的滤光片。带通 (BP) 滤光片允许较小范围波长的光子通过，短通 (SP) 滤光片允许特定波长以下的光子通过，
长通 (LP) 滤光片则允许特定波长以上的光子通过。双色向滤光片/镜子（如双色向 LP 镜子）面向光束 45° 角放置。对于长通双色向滤光片，特定波长以上的光子可直接通过，特定波长以下的光子成 90° 角反射。
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信号测定


当带荧光的细胞通过激光束时，会随着时间产生发射光峰或脉冲。它们将被 PMT 检测并转换成电压脉冲，这就是事件。流式细胞仪会检测总脉冲高度和面积，并将测得的电压脉冲直接与该事件的荧光强度相关联。



图 6.PMT 将检测荧光细胞每次释放的光子产生的电压脉冲面积。当没有荧光标记的细胞通过光学元件时，不会发射光子，也不会检测到信号。当荧光标记的细胞通过光学元件时，会受到激光照射并发射光子，因此检测到的电压强度会逐渐增强。随着荧光细胞逐渐通过激光束，会随着时间变化产生一段电压脉冲。
通过积分各时刻脉冲的高度值得到脉冲面积，这由模数转换器 (ADC) 的速度决定，也就是 10 MHz（即每秒 1000 万次或每微秒 10 次）。
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依据事件的脉冲强度（脉冲面积）为事件分配通道。增大通过 PMT 的电压可以对信号进行放大。



图 7.利用通道号和事件数绘制的单参数直方图。X 轴为用对数表示的通道。
根据测得的信号强度为每一事件分配通道号；荧光强度越高，事件的通道号就越大。



图 8.阴性和阳性结果的荧光强度测定值。左侧的阴性结果表明没有染色的细胞且各事件的荧光强度都很低，右侧的阳性结果表明存在大量荧光强度很高的事件。
在阳性结果中，可以看出阴性对照和阳性样品间强度结果有所不同（图 9）。



图 9.人 PBMC 细胞对单核细胞设门的抗-CCR2 抗体 (ab21667) 染色结果。数据来自匿名 Abreview
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抗体染色



直接染色：

在直接免疫荧光染色中，将细胞与直接偶联到荧光染料（如 FITC）的抗体一同培养。该染色法仅需一步抗体培养，且消除了二抗的非特异性结合。

对于包含二抗的大型抗体 - 荧光染料复合物可能被捕获而导致非特异性结合或无法进入细胞防止一抗检测的细胞内染色非常适用。

间接染色：

在间接染色中，一抗未用荧光标记，而是通过荧光标记的二抗进行检测。第二种试剂可以是能与一抗特异性结合的抗体。此外，还可使用亲和素 - 生物素体系，这种方法将抗体偶联到生物素上，再通过荧光染料标记的亲和素进行检测。

由于目前可用的偶联抗体种类很多，这种方法可以将多种不同靶标产生的未偶联一抗用于与荧光标记的二抗结合，以进行 FACS 分析。这大大提高了研究人员的可选靶标蛋白范围。

• 细胞内染色
  
  用于流式细胞术的细胞内抗原染色方案取决于可让抗体接近内部细胞蛋白的固定和透化方法。无论何种情况，成功的染色都离不开通过抗体滴定进行的实验条件优化、使用适合的对照正确设置流式细胞仪以及优化的固定和透化步骤。
  
• 分泌蛋白的检测：
  
  分泌蛋白的检测十分困难，因为蛋白会在检测前从细胞中释放出来且可能快速降解。高尔基体阻断剂（如布雷非德菌素A）可用于抑制表达蛋白的分泌，使其仍保留在高尔基体中。然后再用细胞内染色法检测靶标蛋白。
  

荧光染料偶联剂的选择


给定的抗体能否从阴性信号中分辨阳性信号取决于所用的荧光染料偶联剂。
各荧光染料的相对强度一般指导原则是，从亮到暗依次为：PE、PE-Cy 7、PE-Cy5、APC、APC-Cy7、Alexa Fluor 647®、Alexa Fluor 700®、FITC、Pacific Blue 和 Alexa Fluor 488®。这是一般排序，个别抗体的相对强度可能有所差异。
高度表达的抗原通常可被检测且与阴性对照区分开来，无论使用何种荧光染料。表达较少的抗原需要较亮的 PE 或 APC 偶联剂提供的高信号背景比，以将阳性细胞完全从未染色的细胞中区分开来。
相对荧光染料强度取决于使用的仪器，因为不同仪器中的激光和滤光片组合会有所差异。因此，需要确保选用了合适的 FACS 仪器。

参考：
[1] http://abcam.com
[2] 流式细胞术概述 | Cell Signaling Technology

原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/435782842