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作者:yiyi發(fā)布
時(shí)間:2011-12-2 22:58:11
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正文:
流式細(xì)胞技術(shù)(flow cytometry)是指在流體狀態(tài)下觀測細(xì)胞的一種技術(shù),而流式細(xì)胞儀(flow cytometer)則是指細(xì)胞于流體狀態(tài)下移動(dòng)時(shí),能夠觀測及記錄細(xì)胞特質(zhì)的儀器。流式細(xì)胞儀的發(fā)展,就像其它的科技發(fā)展般,是在科技演進(jìn)的歷史過程中逐漸發(fā)展出來的。
現(xiàn)代流式細(xì)胞儀的產(chǎn)生主要是來自
(a) 顯微鏡的技術(shù)發(fā)展,
(b) 血球計(jì)數(shù)儀器(cell countinginstrument)的技術(shù)演進(jìn)及
(c) 于 1960 年代為了發(fā)展電腦用印表機(jī)的噴墨技術(shù)(ink-jettechnology)等三方面為基石而發(fā)展出來的。
自 17 世紀(jì)以來,顯微鏡已被廣泛用來觀察細(xì)胞及組織切片。到了 19 世紀(jì)末,細(xì)胞染色技術(shù)也被陸續(xù)開發(fā)出來,使得細(xì)胞內(nèi)部的各式各樣的結(jié)構(gòu)在顯微鏡之下變得更清晰可見。
1940 及 1950 年代發(fā)明的螢光顯微鏡技術(shù)(fluorescence microscopy)
,使人類可利用螢光染劑(fluorescent dye)來偵測 DNA 以利癌癥細(xì)胞的觀察。多株抗體(polyclonal antibody)
的發(fā)展,使 Albert Coons 得將螢光染劑與抗體結(jié)合,更大幅提昇螢光染劑的用途。照相機(jī)及
光偵測器
(photodetector)
的發(fā)展,使我們得以記錄顯微鏡下螢光圖像。由 Köhler 及 Milstein
(1984 年諾貝爾獎(jiǎng)生理學(xué)得主)發(fā)展的單株抗體(monoclonal antibody)技術(shù),使得人類可
生產(chǎn)具有高度特異性(specificity)及同質(zhì)性 (homogeneity) 的單株抗體,這些抗體可分別
與不同的細(xì)胞成份結(jié)合(binding)
,對后來的流式細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展有極大的貢獻(xiàn)。
1934 年,位于 Montreal 的 Andrew Moldavan 是將靜態(tài)顯微鏡(static microscopy)轉(zhuǎn)
換成流式系統(tǒng)(flowing system)的先驅(qū)人員。他建議發(fā)展一種顯微儀器,使我們可觀察到通過毛細(xì)管的白血球及被中性紅(neutral red)染上顏色的酵母菌細(xì)胞,此儀器因加上了光偵測器
(photodetector)
,所以可記錄通過顯微鏡下的細(xì)胞形狀及數(shù)目。雖然我們不清楚 Andrew
Moldavan 后來是否可真正地製造出此機(jī)器,但此種觀念卻是今日流式細(xì)胞儀的雛型。
1960 年代中期,Louis Kamentsky 依 Moldavan 的觀念,發(fā)展出一種以顯微鏡為基礎(chǔ)的
分光光度計(jì)(microscope-based spectrophotometer),使我們首次得以在每秒超過 500 顆細(xì)
胞通過顯微鏡觀察點(diǎn)的速度下,仍能觀察到細(xì)胞吸收紫外線(ultraviolet absorption)及藍(lán)色
的散色光(scatter of blue light)的能力。1967 年 Kamentsky 及 Melamed 更進(jìn)一步加以改進(jìn),增加細(xì)胞篩選系統(tǒng)(sorting system)。至 1969 年,居住于德國 Münster 的 Dittrich 及Göhde,描繪出一種流式細(xì)胞儀,使我們可偵測到由酒精固定的 DNA 與 ethidium bromide結(jié)合所產(chǎn)生的螢光。
在這一段流式細(xì)胞技術(shù)進(jìn)展的時(shí)期 Nallace Coulter 發(fā)展了所謂的 ”Coulter Technology”
,以分析血球細(xì)胞。在 1950 年代,Coulter 製造了一種儀器以計(jì)數(shù)在液相系統(tǒng)(liquid system)流動(dòng)的細(xì)胞。其原理是當(dāng)血球細(xì)胞經(jīng)過孔洞
(orifice)
時(shí),會(huì)排擠等張生理食鹽水溶液
(isotonicsaline solution)而提高電阻(electrical resistance)
,大的細(xì)胞排出的等張生理食鹽水的體積大,因此產(chǎn)生的電阻也大于小的細(xì)胞經(jīng)過孔洞時(shí)產(chǎn)生的電阻。依據(jù)電阻的改變次數(shù)及大小,即可記錄通過的細(xì)胞數(shù)目及細(xì)胞的相對大小尺寸。這個(gè) Coulter 計(jì)數(shù)器在當(dāng)時(shí)很快就變成醫(yī)院血液科不可或缺的機(jī)器,因?yàn)樗商峁┳詣?dòng)化的計(jì)數(shù)血液中紅血球及白血球的數(shù)目。這機(jī)器就是今日流式細(xì)胞儀的前身,因?yàn)樗邆淞魇郊?xì)胞儀的所有特性:(a)能使單一細(xì)胞一個(gè)接一個(gè)的快速通過孔洞,
(b)能以電子訊號來偵測細(xì)胞,及
(c)具有訊號分析的自動(dòng)化。為了進(jìn)一步將細(xì)胞分離,F(xiàn)ulwyler 結(jié)合了 Coulter technology 及 RG Sweet 原先設(shè)計(jì)給
電腦噴墨印表機(jī)使用的噴墨技術(shù)(ink jet technology)而發(fā)展出第一臺(tái)具有篩選(sorting)
功能的流式細(xì)胞篩選儀,也就是今天被大家稱為 cell sorter 的前身。噴墨技術(shù)的基本原理即
是利用高頻率振盪的噴嘴(vibration of nozzle),將水柱(stream)分裂成水滴(drop)并使
打算篩選的水滴帶上電荷 再利用高壓電場使水滴產(chǎn)生偏折而被導(dǎo)入收集管中
,。后來 Fulwyler再加以改進(jìn) 使含有細(xì)胞的水滴帶電 再依照 Coulter 機(jī)器測量到的電子訊號 ‘coulter volume’來決定給予含有特定細(xì)胞大小的水滴帶電,再利用電場使之偏折,如此即可分離出特定的細(xì)胞種類。然而,當(dāng)時(shí)的技術(shù)無法在液體流動(dòng)時(shí)使細(xì)胞保持一個(gè)接一個(gè)的順序,時(shí)常會(huì)有 2 個(gè)或更多的細(xì)胞同時(shí)通過一個(gè)觀測點(diǎn) 造成溷亂的訊號 因此 Crosland-Taylor 利用 laminar flow的原理設(shè)計(jì)了一個(gè)水流系統(tǒng)(flow system)使細(xì)胞能在水柱的中央內(nèi)一個(gè)接一個(gè)地流動(dòng),
而不會(huì)有 2 個(gè)或更多的細(xì)胞同時(shí)通過一個(gè)觀測點(diǎn)的干擾現(xiàn)象,此即所謂的 ‘hydrodynamicfocusing’ 系統(tǒng)。
1969 年,位于 Los Alamos 的 Marvin Van Dilla 及同仁發(fā)展了第一部可偵測螢光的細(xì)胞儀(cytometer)
。此機(jī)器利用 argon laser 取代傳統(tǒng)的顯微鏡燈源以激發(fā)螢光物質(zhì),并結(jié)合hydrodynamic focusing 及 Fulwyler’s sorter 的 技 術(shù) , 發(fā) 展 了 今 日 流 式 細(xì) 胞 儀 FACS(fluorescence activated cell sorter)的前身。不久之后,以 Stanford 大學(xué)Herzenberg 教授為首的研究群也發(fā)展出類似的機(jī)器,除了具有上述機(jī)器的特點(diǎn)外,并結(jié)合了 multiple
parameter fluorescence、light scatter、coulter volume 及 cell sorting 的功能,確立了今日大家使用的 FACS 的架構(gòu) 當(dāng)今兩大 FACS cytometer 的製造廠商 總部位于美國東岸的 Coulter
公司、西岸的 Becton Dickinson,即分別由 Coulter Technology 及與 Stanford 大學(xué)的研究人員技術(shù)合作所衍生出來的。
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