流式细胞仪作为一种强大的单细胞分析工具,有句话这么说:如果能把流式细胞分析仪做好,说明已经把细胞研究透了。这里我们就需要讲一个小故事,Mack Fulwyler(麦克 富尔维勒)被认为是当今流式细胞仪的先驱者,尤其对于细胞分选仪。1965年Fulwyler率先在Science上发表了第一篇关于细胞分选的文章,他也因此被认为是“液滴分选之父”。Fulwyler 的分选是Coulter原理与喷墨打印机技术的结合体。这是关于流式细胞分析仪的早期研究。
关于流式细胞
流式细胞术(Flowcytometry,简称:FCM)是利用流式细胞仪对血液、各种体液、骨髓、活检以及动植物的单细胞悬液、石蜡包埋组织中的有形成分包括细胞、血小板、细胞器、精子、微生物以及人工合成微球等的多种生物和物理、生化特性进行计数和定量分析,并能对特定细胞群体加以分选的细胞参量分析技术。
简单的说,流式细胞术是一个强大的细胞分析和分选工具,对单个细胞或其他微生物粒进行快速定量分析和分选。不仅可以测量细胞大小、内部颗粒的形状,还可以检测细胞表面和浆细胞抗原、细胞内DNA、RNA含量等等。并且能在短时间内检测和分析大量细胞,还能分类收集或分选某一类亚群细胞,分选纯度达到95%以上。
流式细胞检测主要临床应用
流式细胞仪的检测分析已涉及到细胞生物学、免疫学、肿瘤学、遗传学、血液学、微生物学等学科。目前我国的应用领域主要集中在下列方面:
1、免疫学领域
主要是针对淋巴细胞亚群检测,用以评估机体的免疫状态。辅助疾病如AIDS/HIV的诊断等,是目前各医疗单位开展和应用最广泛的项目。
利用各种单克隆抗体与淋巴细胞表面的抗原结合,再配合多色荧光染料,同时检测一种或几种淋巴细胞的表面抗原,从而将不同功能的淋巴细胞区分开来,并且得到各亚群的相对比例。最常检测的淋巴细胞亚群包括CD3^+CD4^+T细胞、CD3^+CD8^+T细胞、B淋巴细胞(CD19^+CD20^+)及NK细胞(CD16^+CD56^+)等。通过对不同亚群淋巴细胞相对计数、绝对计数以及比率的观察,可以监测感染性疾病、免疫性疾病及肿瘤等疾病状态下机体的免疫状况,从而辅助诊断、判断病情变化。
例如,CD4^+T细胞膜外CD4分子具有人类免疫缺陷病毒(HIV)识别部位,HIV感染人体后,入侵CD4^+T细胞,大量复制,导致CD4^+T细胞破坏,数量剧减,功能受损,机体免疫机能严重缺陷,所以,CD4^+T细胞检测是获得性免疫缺陷综合征(AIDS)诊断及病情观察的重要指标。
2、血液学领域
主要是血液系统疾病的免疫分型及白血病微小残留病变的监测,用于血液系统疾病的诊断、治疗评估和复发监测。FCM的细胞免疫分型是国际公认的诊断造血细胞疾病必不可少的重要标准之一,是目前被广泛接受和认可的免疫分型方法。
例如白血病,本来数量很少或本不应该出现的原始细胞,大量出现在骨髓或外周血中。在正常细胞分化成熟过程中,不同的抗原会在其表面或内部出现或消失,通过检测这些抗原的存在或缺失,就能够确定细胞的种类和发育阶段。这些在白细胞表面的抗原,又称为白细胞分化抗原或簇分化抗原(Cluster of Differentiation, CD)。通过检测这些细胞CD分子表达情况,可以准确知道这些细胞的类型,以便进行诊断和治疗。
血液病患者的整个病程中需要多次进行流式检测。初诊时需要流式帮助确诊和分型,病程中需要流式监测治疗效果,骨髓移植时需要流式对供者细胞进行CD34阳性细胞进行准确计数,化疗或者骨髓移植完全缓解后需要流式进行微小残留病变(minimal residual disease, MRD)的检测。
3、肿瘤学领域
基于DNA倍体和细胞周期分析,了解细胞DNA倍体和增殖能力,异常倍体的出现意味着DNA合成的异常,可能是肿瘤或是癌前病变发生的重要标志。流式细胞术可以对肿瘤细胞的DNA含量进行分析,从而判断肿瘤的恶性程度。流式细胞在癌前病变发现、肿瘤诊断,治疗和预后判断等领域都发挥了重要作用。我国癌症患者基数大,流式细胞检测在肿瘤诊断和药物研发领域应用潜力巨大。
4、造血干细胞移植领域
造血干细胞移植是一个复杂的系统工程,包括疾病的诊断、造血干/祖细胞的动员和采集、移植后造血和免疫重建、输入的T淋巴细胞及其亚群与GVHD的关系、微小残留病变的检测以及CMV的检测等。
流式细胞仪在其中已经得到了广泛的应用,同时足够数量的造血干细胞是造血干细胞移植成功的关键因素之一,通过CD34标记和细胞计数微球同时使用,或者具有计数功能的流式细胞仪是鉴定和计数造血干细胞的快速、准确、定量的方法。
流式相关IVD企业及市场分析
目前国内使用的流式细胞仪以进口为主:一个美国BD公司、BD公司流式产品占据超过40%的全球市场份额,拥有包括分析型流式、分选型流式、流式液相芯片等,产品齐全。另一家是贝克曼(&赛景生物)。它们生产出一系列科研型和临床型的流式细胞仪,并研制生产了FCM(流式细胞术)所用的各种单克隆抗体和荧光试剂。还有像赛默飞公司、安捷伦公司(艾森生物)等外资巨头旗下流式细胞仪产品。
国产流式细胞仪最早研制于20世纪80年代初,国内有迈瑞医疗、唯公科技、中生北控子公司(中生苏州)、指真生物、赛雷纳(中国)、博奥生物、必科达生物、赛景生物、厦泰生物、宸安生物、竞天生物、透景生命、旷博生物、赛基生物、益善生物等国产企业。
在全球的流式细胞分析市场中,北美和欧洲分别占据了36%和31%的市场份额,亚太及新兴国家分别占比19%和10%,但亚太及新兴国家的流式细胞分析市场增长速度却远远高于世界的平均11%,达到20%以上的水平。
中国虽然起步较晚,但增长极快,2017年中国流式细胞分析市场将达到4.87亿美金,自然增长速度达30%左右,几乎是中国IVD市场增长速度(15%)的2倍。
1.从市场角度来说,科研市场相对开始饱和,除仪器的换代升级以外,主要增长点会是小型化个人化机器从平台进入独立实验室;临床市场目前处于快速发展期,并且由于试剂的准入门槛降低,流式细胞仪会更快的普及;
2.从技术角度来说,目前激光数量与通道数量的发展基本满足了大多数实验的需求,发展方向还是以性能与易用性为主。包括液相芯片、光谱流式、质谱流式、液流、光流和计算能力的提升、仪器自动化、前处理自动化等等;
3.从应用方向来看主要还是以免疫、肿瘤、单细胞研究为主。特殊的一些方向例如单细胞分选、微小颗粒的分析分选将会是未来的热点;
4.从企业角度来说,发现一些新的应用领域(比如透景推出的肿瘤、自免疾病的多指标联检)、快速follow国外的先进技术(比如夏泰生物的光谱流式、宸安生物的质谱流式)或跟随国内分级诊疗的推进实现流式的POC化(比如成都赛雷诺和北京指真生物),都是不错的策略。