在細胞生物學與藥物研發(fā)領域，活細胞分析是揭示生命活動規(guī)律、評估藥物作用機制的核心手段。然而，傳統(tǒng)熒光標記技術因光毒性、光漂白及化學干擾等問題，難以實現(xiàn)長期、無損的動態(tài)監(jiān)測。無標記檢測技術通過捕捉細胞內在物理特性或內源性信號，突破了這一瓶頸，成為活細胞研究的新范式。本文將從光學、電學及計算成像三大技術路徑，解析無標記檢測如何實現(xiàn)“無擾”活細胞分析。
一、光學衍射層析：重構細胞三維折射率分布
光學衍射層析成像技術（Optical Diffraction Tomography, ODT）以衍射理論為基礎，通過多角度平面波照明獲取散射光場的振幅與相位信息，結合數字全息解算與傅里葉逆變換，重構細胞三維折射率分布。折射率作為細胞內部固有的對比源，可量化反映細胞器密度、蛋白質濃度及膜結構變化。
例如，HoloMonitor?活細胞動態(tài)全息定量成像系統(tǒng)采用數字全息顯微技術，無需任何標記即可實時追蹤單細胞形態(tài)、遷移軌跡及增殖動力學。其核心優(yōu)勢在于：
1.非侵入性：避免熒光染料對細胞代謝的干擾，支持長達數周的連續(xù)觀測；
2.高分辨率：通過相位恢復算法實現(xiàn)亞細胞級成像，清晰分辨線粒體、內質網等結構；
3.多模態(tài)融合：可選配熒光模塊，將綠色熒光信號與全息數據結合，構建“形態(tài)-功能”關聯(lián)分析體系。
在神經母細胞瘤3D培養(yǎng)模型中，該技術揭示了不同基因型細胞對化療藥物的差異化響應：MYCN擴增型細胞表現(xiàn)出更強抗凋亡能力，而ALK突變型細胞對藥物更敏感。這一發(fā)現(xiàn)為腫瘤精準治療提供了關鍵實驗依據。
二、阻抗傳感：監(jiān)測細胞生理狀態(tài)的“電信號指紋”
無標記阻抗檢測技術通過微電極陣列實時監(jiān)測細胞在微孔中的生理狀態(tài)變化。當細胞貼附或增殖時，電極間阻抗值升高；細胞凋亡或脫落時，阻抗值下降。這種非接觸式檢測允許對同一批細胞進行數天至數周的連續(xù)觀察，獲得完整的生長動力學曲線。
Bio-Rad ZE5細胞分析儀采用該技術，具備以下特性：
1.高通量：可同時監(jiān)測6個96孔板，時間分辨率達每分鐘一次；
2.高靈敏度：可檢測低至100個/孔的細胞數量變化；
3.動態(tài)藥效評估：在藥物篩選中，可區(qū)分細胞抑制（生長停滯）與細胞毒性（死亡）作用，提供IC50、EC50等關鍵參數。
在免疫細胞治療研究中，該技術成功實時監(jiān)測CTL細胞對腫瘤細胞的殺傷動力學，發(fā)現(xiàn)殺傷效率與靶細胞表面PD-L1表達量呈負相關，為優(yōu)化CAR-T療法提供了量化指標。
三、計算成像：突破衍射極限的無標記超分辨
傳統(tǒng)光學成像受衍射極限限制，難以實現(xiàn)納米級分辨率。計算成像技術通過算法優(yōu)化與物理模型融合，突破了這一瓶頸。例如：
1.傅里葉疊層顯微成像（FPM）：通過相位恢復算法從多幅低分辨強度圖中重建高分辨復振幅圖，實現(xiàn)2倍分辨率提升；
2.光聲成像：利用內源性血紅蛋白、脂類等分子的吸收光譜差異，實現(xiàn)化學選擇性成像，監(jiān)測腫瘤血管生成及氧合狀態(tài)；
3.表面等離子體共振（SPR）：通過金屬膜表面折射率變化檢測生物分子相互作用，靈敏度達皮克級。
在單細胞蛋白質組學研究中，無標記質譜檢測技術（Label-Free Quantitation, LFQ）通過質譜信號強度或譜圖數量定量分析蛋白質表達水平。百泰派克生物科技基于Orbitrap Fusion Lumos質譜儀，結合MaxQuant算法，實現(xiàn)了高重復性、低噪聲的蛋白定量，成功揭示肝癌干細胞與正常肝細胞在代謝通路上的差異。
四、技術融合：多模態(tài)無標記檢測的未來方向
單一檢測技術往往存在局限性，如光學成像深度不足、電學檢測缺乏形態(tài)信息。多模態(tài)融合成為突破瓶頸的關鍵。例如：
HoloMonitor+熒光：全息成像提供形態(tài)學數據，熒光標記定位特定蛋白，揭示細胞骨架重組與遷移能力的關聯(lián)；
ODT+拉曼光譜：折射率分布反映細胞結構，拉曼信號解析化學成分，實現(xiàn)“結構-功能”同步監(jiān)測；
阻抗+微流控：在3D腫瘤球狀體中，阻抗檢測穿透球體監(jiān)測內部細胞狀態(tài)，微流控芯片模擬血流剪切力，構建更真實的生理模型。
總結
無標記檢測技術通過光學、電學與計算成像的協(xié)同創(chuàng)新，實現(xiàn)了活細胞分析的“無擾化”與“動態(tài)化”。從單細胞追蹤到3D組織模型，從藥物篩選到疾病機制解析，這一技術正在重塑生命科學研究的范式。未來，隨著人工智能算法與納米光學器件的進一步融合，無標記檢測將邁向更高分辨率、更強適應性的新階段，為精準醫(yī)學與再生醫(yī)學提供更強大的工具。
