活细胞培养测试对于个性化医疗、药物开发和临床研究变得越来越重要。位于亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所 ILT 和生产技术研究所 IPT 开发了一种人工智能辅助的高通量流程，现在可以自动分离特定的细胞类型。

使用所谓的 LIFTOSCOPE，实验室每秒可以定位、识别和分析数十个活细胞，以便通过激光诱导正向转移 (LIFT) 将它们转移到微量滴定板上。在2024 年 4 月 9 日至 12 日于慕尼黑举行的analytica 2024 展会上，Fraunhofer-Gesellschaft 将在 A3 厅 407 号展位首次向公众展示这一创新流程。

多能干细胞是个性化医疗的关键。一旦从血液和组织样本中分离出来，它们就可以用于培养不同组织的细胞类型。由于这些培养的​​细胞培养物使得在体外进行个体药物和不耐受测试成为可能，因此它们是选择高度特异性的个性化疗法的强大工具。然而，为了在常规临床实践中建立个性化治疗，医学需要有效的方法来分离多能干细胞。

此外，药物研究正在寻找从多克隆培养物中分离所谓的高产细胞以进行药物开发的方法，并将其转移到单克隆培养物中，而不损害细胞活力或分裂能力。在大流行期间，诊所还必须认识到，从患者样本中分离和分析(免疫)细胞的现有方法正在将其实验室推向能力极限。

弗劳恩霍夫激光技术研究所 ILT 和生产技术 IPT 研究人员的创新显着提高了效率，因为它可以全自动分类和分离细胞。LIFTOSCOPE 将人工智能辅助的高通量流程集成到配备高速相机和闪光灯光源的市售倒置显微镜中。LIFTOSCOPE 将三种高科技流程结合在一台设备中，可在微秒内识别细胞并将其转移至微量滴定板，存活率高达 90% 以上。

借助人工智能和激光实现全自动细胞选择

项目团队将 Fraunhofer ILT 开发的专利 MIR LIFT 工艺直接集成到显微镜的光路中。连接到它的相机系统每秒可提供一百张高分辨率图像。Fraunhofer IPT 开发的人工智能使用语义分割来识别图像数据中所需的细胞类型，并且可以经过训练来识别多能干细胞、高产细胞和免疫细胞。

人工智能还可以确定细胞的准确位置和重心。在 MIR LIFT 过程中，它们会以高达 100 Hz 的高频被一个接一个地转移到 Fraunhofer ILT 开发的支架中的微量滴定板上。“根据细胞类型，高达 100% 的细胞在此过程中存活下来，”生物制造小组负责人 Nadine Nottrodt 博士解释道，她与项目经理 Richard Lensing 一起监督 Fraunhofer ILT 的联合开发项目。

LIFT 过程本身非常简单。具有几微焦脉冲能量的短 9 纳秒激光脉冲足以刺激目标细胞正下方的液体介质形成蒸汽泡。先前已通过酶促从其结合中释放的细胞被气泡短暂地抬起。

一旦气泡破裂，就会形成吸力，将细胞冲入微量滴定板的培养容器中。“细胞随机分布在样品中。因此，我们的系统遵循预定义的网格并传输焦点 50 微米半径范围内的细胞，”Lensing 解释道。在那里，LIFTOSCOPE 可以在高精度、光学监控的激光工艺中精确控制和转移细胞。如果需要，LIFT 过程还可以与荧光标记相结合来识别特定细胞。然而，即使没有添加剂，该过程也能稳定运行。

原因有两个：首先，人工智能的精确定位确保了细胞实际上被喷射捕获并输送到微量滴定板中。其次，Fraunhofer ILT 通过不断开发 LIFT 工艺，成功地从工艺中消除了最初所需的金属吸收器。

由于该过程使用波长为 2,940 纳米的中红外激光，系统中已有的水现在被直接激发，而样品载体的聚合物不吸收或几乎不吸收该波长。

连续运动与走走停停的过程

该项目团队的目标是稳定全自动细胞识别和 LIFT 过程的高通量，并将完成一块微量滴定板的处理时间限制在十分钟。这需要高精度执行器来成像和在加工周期中定位激光焦点。

一方面，这确保了该过程达到人工智能支持的细胞检测和测量所需的图像分辨率，另一方面，它可以将激光焦点精确地分配和定位在细胞正下方，范围在 25 微米以内。单细胞转移在 200 微秒内完成。在 100 秒内，可以使用 LIFTOSCOPE 激活 10,000 个细胞并将其转移至微量滴定板。

弗劳恩霍夫团队采用了两种不同的策略来转移细胞培养物。“在走走停停的操作中，必须在细胞提升之前和之后插入短暂的休息阶段，因为每次停止都会触发样品中的流体动力电流，该电流必须首先稳定下来，然后才能转移下一个细胞，”Nottrodt 报告说。

这种策略允许他们对具有许多不同细胞的样品进行分类，从而减少样品制备所需的工作量。然而，停顿是以牺牲效率为代价的。在连续过程(第二种方法)中，LIFTOSCOPE 根据要搜索的细胞类型，在最多 1,600 条线、间距为 50 微米的网格中扫描样品载体，并传输在此连续移动中进入焦点的每个细胞。

转移的细胞越多，通过该方法获得的时间优势就越大。即使转移 10,000 个细胞，连续过程的速度也快两倍以上，而转移 100,000 个细胞时，连续过程的速度已经比走走停停的操作快 20 倍。

这种基于人工智能和激光的新颖工艺为全自动、高效分离活细胞指明了道路。Nottrodt 表示，该项目迄今为止的进展表明，细胞 LIFT 与高速相机的图像频率同步，从而实现每秒 100 个细胞的单细胞分选率是可行的。

下一步是开发原型工艺以达到市场成熟度。“欢迎感兴趣的各方参观 analytica 2024 上 Fraunhofer-Gesellschaft 位于 A3/407 号展厅的联合展位，近距离观察 LIFTOSCOPE，”Nottrodt 和 Lensing 说道。鉴于个性化医疗的潜力，这项技术需要快速进入医疗、制药和临床实践。

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