1、第十七章 流式细胞仪分析技术及应用 第一节 概述 一、工作原理 二、散射光的测定 三、荧光测量 四、细胞分选原理 第二节 数据的显示与分析 一、参数 二、数据显示方式 三、设门分析技术 第三节 流式细胞仪免疫分析的技术要求 一、免疫检测样品制备 二、免疫分析中常用的荧光染料与标记染色 三、免疫胶乳颗粒的应用 四、流式细胞免疫学技术的质量控制 第四节 流式细胞术在免疫学检查中的应用 一、淋巴细胞及其亚群的分析 二、淋巴细胞功能分析 三、淋巴造血系统分化抗原及白血病免疫分型 四、肿瘤耐药相关蛋白分析 五、 AIDS病检测中的应用 六、自身免疫性疾病相关 HLA抗原分析 七、移植免疫中的应用 思考题
2、 小结 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 单个细胞理化特性进行多参数定量分析和分 选的新技术。 流式细胞术最大的特点是能在保持细胞及 细胞器或微粒的结构及功能不被破坏的状态下 ，通过荧光探针的协助，从分子水平上获取多 种信号对细胞进行定量分析或纯化分选。 细胞不被破坏，测量快速、大量、准确、灵敏、定量 流式细胞术的特点 流式细胞仪 是测量染色细胞标记物荧 光强度的细胞分析仪，是在单个细胞分析 和分选基础上发展起来的对细胞的物理或 化学性质（如大小、内部结构、 DNA、 RNA 、蛋白质、抗原等）进行快速测量并可分 类收集的高
3、技术。 第一节 概述 细胞组成 细胞功能 大小 细胞表面 /胞浆 /核 -特异性抗原 粒度 细胞活性 DNA, RNA含量 胞内细胞因子 蛋白质含量 激素结合位点 钙离子 , PH值 , 膜电位 酶活性 流式细胞仪常检测的细胞特性 采用激光作为激发光源，保证其具有更好的单色性与激发 效率； 利用荧光染料与单克隆抗体技术结合的标记技术，保证检 测的灵敏度和特异性； 用计算机系统对流动的单细胞悬液中单个细胞的多个参数 信号进行数据处理分析，保证了检测速度与统计分析精确 性。 一、工作原理 （ 1） 液流系统 （ 2） 光学系统 （ 3） 数据处理系统 1.流式细胞仪的基本结构： 由样本和鞘液组成
4、待测细胞 单个细胞的悬液 荧光染料标记的 单抗对其染色 受清洁气体压力 从样品管进 入流动室形成样本流 鞘液：辅助样本流被正常检测的基质液。主要作用是 包裹样本流的周围，保持样本流中细胞处于喷嘴中心位 置，防止其靠近孔壁而阻塞喷孔。 （ 1）液流系统 喷嘴 Fluorescence signals Focused laser beam 鞘液 液流系统示意图 FCM的液流系统（如 何形成单个细胞流） 样本管 鞘液管 激光光源：气冷式氩离子激光器 分色反光镜：反射长 /短波长，通过短 /长 波长 光束成形器：两十字交叉放置的透镜 透镜组：形成平行光，除去室内光 滤片：长通、短通、带通 光电倍增管：
5、 FS, SS（散射光）， FL1, FL2, FL3, FL4（荧光） （ 2）光学系统 Flow Tip Laser SS and FL Detector FS Detector 光学系统示意图 主要由计算机及其软件组成 （ 3）数据处理系统 基本工作原理 单细胞液柱 已标记的单细 胞悬液和鞘液 硅化管 流动室 喷嘴 荧光检测系统和 散射光感受系统 收集光信号 荧光染料被 激发发光 光电倍增管 脉冲信号 计算机系统 分析结果 放大 垂直相交 形成稳态 水平激光与之 基本过程 区 别 流式 细 胞 仪 显 微 镜 光源 激光 自然光、灯光 对 象 细 胞、生物粒子 细 胞、 组织 等 承 载
6、 工具 鞘液及流 动 室 载 玻片 检测 信号 光学信号 形 态 及染色 放大方式 PMT、放大 电 路 目 镜 物 镜 、光学放大 统计 计 算机， 5000 人工， 200 结 果 多参数， 综 合分析 简单 ， 单 参数 流式细胞仪与显微镜的区别 细胞在液柱中与激光束相交时 向周围 360立体角方向散射的光线 信号，它的强弱与细胞的大小、形 状、胞内颗粒折射等有关，主要分 为 前向散射光 和 侧向散射光 。 二、散射光的测定 前向散射光 （ forward scatter, FS） ： 激光束照射细胞时 ，光以相对轴较小角度 (0.5 10) 向前方散射的讯号用于检测 细胞等粒子的表面属
7、性，信号强弱与细胞体积大小成正比 。 FALS Sensor Laser 前向散射光示意图 侧向散射光（ side scatter, SS）： 激光束照射细 胞时，光以 90 角散射的讯号，用于检测细胞 内部 结构属性。 FALS Sensor 90LS Sensor Laser 侧向散射光 示意图 测得的 FS与 SS信号通过计算机处理 ，可得到 FS-SS图，由 此可仅用散射光信号对 未染色的活细胞进行分 析或分选。 此为血细胞分类 的基本原理，但不能分 析表面分子。 淋巴细胞 单核细胞 中性粒细胞 光散射测量最有效用途： 从非均一群体中鉴别出某些亚群 荧光信号由被检细胞上标记的特异性荧光
8、染料受激 发后产生，发射的荧光波长与激发光波长不同。 每种荧光染料会产生特定波长的荧光和颜色，通过 波长选择通透性滤片，可将不同波长的散射光和荧光 信号区分开，送入不同的光电倍增管。 选择不同的单抗及染料就可同时测定一个细胞上的 多个不同特征。 线性放大器和对数放大器 三、荧光测量 荧光染料的特性 激发波长 (EXCITING) 发射波长 (EMISSION) 荧光补偿 通过流式细胞仪进行细胞分选 主要是在对具有某种特征的细胞需 进一步培养和研究时进行的。 四、细胞分选原理 细胞悬液形成液流柱 流动室振动 液流断裂成液滴 空白液滴 含细胞的液滴 弃去 偏转落入收集器 压电晶体 产生 机械振动
9、不充电 充电 （一）分选基本原理 分选速度： 单位时间内分选的细胞数量。与悬 液中细胞的含量成正比。 分选纯度： 分选出的目的细胞占所有收获细胞 的百分率。 分选收获率： 实际收获的分选细胞与设定通过 测量点的分选细胞之间的比率。与纯度成反比。 分选得率： 从一群体细胞悬液中分辨出目的细 胞的总量，再经分选后得到目的细胞的实际得率。 与分选速度成反比。 （二）分选的技术要求 参数： FS,SS,FL 数据显示方式 （单参数直方图 、双 参数散点图 、二维等高图 、假三维等 高图 、三参数散点图 ） 设门分析技术 第二节 数据的显示与分析 FS：反映颗粒的大小 SS：反映颗粒的内部结构复杂程度
10、FL：反映颗粒被染上的荧光数量多少 一、 参数 单参数直方图 双参数直方图 :点图 二维等高图 假三维等高图 三参数直方图 多参数分析 直分析方图 设门分析 :REGION和 GATE设置 二、数据显示方式 由一维参数 (散射光或荧光 )与颗粒计数 (COUNT)构成，反映同样散射光或荧光强 度的颗粒数量的多少。 （一）单参数直方图 单参数直方图 细胞相对数量 信道 (channel ) 双参数直方图：纵轴和横轴分别代表被测 量细胞的两个测量参数，根据这两个参数就 可以确定细胞在图上的表达位置。 双参数信号 通常采用对数信号，最常用的 是点密图，在图中，每个点代表一个细胞， 点图利用颗粒密度反
11、映同样散射光或荧光强 度的颗粒数量的多少。 （二）双参数直方图 1.双参数直方图点图 绿色荧光强度 红色荧光强度 双参数直方图点图 2. 二维等高图 由类似地图上的等高线组成，其本质也是 双参数直方图。 等高图上每一条连续曲线上具有相同的细 胞相对或绝对数，即 “ 等高 ” 。 曲线层次越高 (越里面的线 ) 所代表的细胞 数愈多。 等高线越密集则表示细胞数变化率越大。 二维等高图 3. 假三维等高图 （三）三参数直方图 多参数分析：当细胞标记了多色荧光，被激 发光激发后，得到的荧光信号和散射光信号 可根据需要进行组合分析。 （四）流式细胞仪的多参数分析 Gate设置：指在某一张选定参数的直
12、方图上，根据该图的细胞群分布选定其 中想要分析的特定细胞群，并要求该样 本所有其他参数组合的直方图只体现这 群细胞的分布情况。 根据门的形状又分为了线性门、矩形门、圆 形门、多边形门、任意形状门和十字门。 三、设门分析技术 A 淋巴细胞 B 单核细胞 C 中性粒细胞 A、 B、 C均 为任意门 线性门 Region设置 : 区阈（ region, R）与门 (gate, G ) 是两个 相关的概念，区阈可与门对应，但是也可 以包含于门。 D1 CD4+/CD3- D2 CD4+/CD3+ D3 CD4- /CD3- D4 CD4- /CD3+ 如十字门分析时，起 就可以由四个区域构 成，即 G
13、=D1+D2+D3+D4。 样本制备 标记染色 液相芯片技术 质量控制 第四节 流式细胞仪免疫分析的技术要求 外周血淋巴细胞样品的制备 分离单个核细胞 培养细胞的样品制备 蛋白酶消化 机械吹打 使贴壁细胞脱落 洗涤 尼龙网过滤 单细胞悬液 一、免疫检测样品制备 新鲜实体组织单细胞悬液的制备 机械法 酶处理法 化学试剂处理法 表面活性剂处理法 单细胞悬液的保存 深低温保存法（一年） 乙醇或甲醇保存法（ 2周） 甲醛或多聚甲醛保存法（ 2月） 适用条件 : 有较高的量子产额和消光系数 对 488nm的激发光波长有较强的吸收 发射光波长与激发光波长间有较大的波长差 易与标记单抗结合而不影响抗体的特异
14、性 二、常用的荧光染料与标记染色 FITC Texas red PE.PC.APC PEcy5 FL1 FL2 FL3 FL4 激光 细 胞 悬 液 异硫氰酸荧光素 得州红 能量传递复合染料 藻胆蛋白类 （一）几种常见的荧光染料 名称 染料 激发 波长 荧光颜 色 溶解性 对 PH敏感 性 特点 异硫氰酸荧 光素 FITC 488 绿 525 易 敏感 易溶于水，与抗体结 合不影响特异性 得州红 Texas red 568 红 615 不易 不敏感 稳定，偶联后量子产 额低 藻红蛋白 PE 488 橙 575 易 不敏感 具较多发光基团，消 光系数和量子产额高 藻青蛋白 PC 488 别藻青蛋
15、白 APC 633 红 670 能量传递复 合染料 PEcy5 488 红 670 易 不敏感 减少交叉，成本高 常用的几类荧光染料 用化学法将两种不同激发波长的染 料结合在一起，在 488nm激发光照射下，通过 一个荧光染料被激发后产生的发射波长再激 发另一荧光染料产生荧光信号，从而检测到 该特定荧光信号。 能量传递复合染料 PE CY5 CY5 CY5 488nm 575nm 670nm 红色荧光 花青苷 5 藻红蛋白 能量传递复合染料机制 荧光染料与细胞成分的四种结合方式 结构亲和式 嵌入结合 共价键结合 荧光标记抗体特异性结合 免疫荧光标记方法 直标 :干扰少 ,但需购买多种单抗 间标
16、 :步骤多 ,干扰多 ,不需标记多种抗 体 组合标记 （二）免疫荧光标记 免疫胶乳颗粒的应用即液相芯片技术 是把微小 的乳胶微球分别染成上百种不同的荧光色，把针 对不同检测物的乳胶微球混合后再加入待标本， 在悬液中与微粒进行特异性地结合，经激光照射 后不同待测特产生不同颜色，并可进行定量分析 。因检测速度极快，所以又有 “ 液相芯片 ” 之称 。 三、免疫胶乳颗粒技术的应用 微小的乳胶微球分别染成上百 种不同的荧光色（固相芯片是 用探针在芯片上的坐标位置给 基因的特异性编码；而液相芯 片则是用颜色来编码） 通过对标记不同荧光素分子的检测，实 现 FCM对可溶性物质的定量分析 适当的制备方式 处
17、理红细胞 实体组织来源标本用机械法 温度 2537 ， pH7.07.2 四、流式细胞免疫学技术的质量控制 （一）单细胞悬液制备的质控 温度 pH 染料浓度 固定剂 （二）免疫荧光染色的质控 光路与流路校正 : 确保激光光路与样品 流处于正交状态，减少变异（ CV）。 PMT（光电倍增管）校准 : 保证样品检测 时仪器处于最佳灵敏度工作状态。 绝对计数校准 : 保证计数的准确性。 Flow-check Flow-set Flow-count （三）仪器操作的质控 同型对照：即免疫荧光标记中的阴性对照， 选用相同源性的 未标记单抗 作为对照调整和设 置电压，以保证特异性。 全程质量控制：与待测标
18、本一起标记和检测 ，结果达靶值，提示本次实验结果可靠。 （四）免疫检测的质控 流式细胞术目前已广泛地被应用于免疫学 基础研究和逐步进入临床应用各方面，用流式细 胞仪对细胞表面的抗原成分进行标记分析，可区 别多种细胞的特性，为细胞免疫的研究增加了有 效的手段和帮助。 第四节 在免疫学检验中的应用 T淋巴细胞及其亚群分析 Th(CD3+CD4+CD8-T); Tc(CD3+CD4-CD8+T) B淋巴细胞及其亚群分析 B1(CD19+CD5+):产生 IgM型自身抗体 , 参与免疫调节、 与自身免疫病的发生有关 B2(CD19+CD5-):受外来抗原刺激 , 产生高亲和性特异性 抗体 NK细胞分析
19、 NK(CD3-CD16+CD56+) 一、淋巴细胞及其亚群的分析 细胞介导细胞毒性试验 (死细胞与活细胞比例 ) 细胞内细胞因子测定 二、淋巴细胞功能分析 三、淋巴造血系统及白血病免疫分型 对淋巴瘤和白血病进行多色免疫分型 用于选择化疗方案、判断预后及检出微小 残留病变 CD4+Th细胞、 CD4+/CD8+比例 MDR(+)表示对化疗药物耐药 四、肿瘤耐药基因分析 五、 AIDS病检测中的应用 HLA-B27可出现在 58% 97% 的强直 性脊椎炎 (As) 患者 六、自身免疫病相关 HLA抗原分析 FCM作为一个强大的技术平台，已应用于多个 领域，其在移植免疫分析中的应用也越来越广泛
20、。目前移植免疫中的 FCM应用主要包括流式细胞 术的交叉配型（ Flow cytometry cross-matching, FCXM）和群体反应性抗体（ Panel reactive antibody, PRA）检测。 七、移植免疫中的应用 思考题 1. 流式细胞仪的分析检测原理是什么？ 2. 流式细胞仪分析中前向散射光、侧向散射光和荧光的检测 意义。 3. 何谓荧光补偿？何谓 “液相芯片 ”技术？ 4. 细胞分选的基本原理。 5. FCM分析中有哪些数据显示方式，如何解读结果及其设 门分析的意义？ 6. 如何进行 FCM分析检测样品的制备？ 7. 流式细胞分析前如何验证仪器工作状态，采用何
21、种校正物 ？ 8. 流式细胞免疫分析的质量控制包括哪些方面？ 9. 流式细胞术有哪些临床应用价值？ 10.流式细胞仪分析中常见的荧光素有那些？他们的特性如何 ？ 小 结 流式细胞术（ FCM）是在保持细胞及细胞器或微粒的结构 及功能不被破坏的状态下，从分子水平上获取多种信号实现 对单个细胞进行定量分析或纯化分选。 FCM分析中前向散射光反映颗粒的大小；侧向散射光反映 颗粒内部结构复杂程度、表面的光滑程度；荧光反映颗粒被 染上荧光部分数量的多少，根据其标记的抗原分子不同，即 反映了不同抗原分子的表达情况。 同型对照为免疫荧光标记中的阴性对照，可使荧光标记单抗 的信号保持其特异性。 对各项工作环节和仪器性能进行严格的质量控制和规范化操 作，是保证 FCM分析中各项检测数据和指标可靠性的关键。
