新品应用聚焦 | 使用具有 AI 图像分析功能的下一代高内涵成像平台进行高速表型分析

高内涵成像技术是药物研发过程中的重要基石。与仅测量单一参数的检测方法不同，高内涵成像能够捕捉多种细胞特征，从而更全面地了解细胞对各种干扰因素的反应。然而，目前的成像平台在图像采集速度、信号背景比以及数据管理等方面存在一定的局限性。为了克服这些问题，我们研发了新一代智能高内涵成像分析系统——ImageXpress HCS.ai 智能高内涵成像分析系统（Molecular Devices），该系统在硬件和软件方面都进行了全新设计。通过改进 x、y、z 轴平台的移动性能和自动对焦功能的通用性，提高了通量；全新的先进光路系统，包括优化的光源和高量子效率相机，缩短了曝光时间，降低了背景干扰，提高了信噪比。在此，我们将展示三个检测实验及其结果，以说明这款智能高内涵成像分析系统及其现代化软件界面是如何从实验设置到数据分析，遵循一套合理的工作流程的。每个实验的 Z 因子得分均超过 0.5：

与业内现有系统相比，我们的智能高内涵成像分析系统平均图像采集速度提高了 40%。信噪比也比目前其他基于激光的系统有显著提升（提高了两倍以上）。速度的提升，加上该系统的高图像质量，使得 ImageXpress HCS.ai 智能高内涵成像分析系统非常适合典型的 2D 和 3D 高通量成像应用。

ImageXpress HCS.ai 智能高内涵成像分析系统在光学和硬件方面进行了重新设计，支持快速图像采集的同时不影响图像质量。该系统：

重新设计的图像采集软件（MetaXpress Acquire）提供了直观、用户友好的操作界面，新手可以快速上手，同时也为高级用户保留了灵活性和可定制性。软件还增加了一些新功能，包括易于控制的透射光采集，以及在孔板中识别和定位“稀有”物体，以便进行高倍率采集。

IN Carta 图像分析软件包含两种基于人工智能的图像分析工具：

为了评估仪器的速度性能，我们使用不同的设置对细胞进行成像，并将图像采集时间与类似的高内涵成像分析系统进行比较。宽场成像时，采集速度平均快 50%；共聚焦成像时，速度平均快 38%（图 1）。

lmageXpress HCS.ai 智能高内涵成像分析系统重新设计了光路，以提高信噪比（SNR）。为了评估该新系统对 3D 结构的成像质量，我们在 U 型底板中培养球体，固定后用细胞核标记物（Hoechst）染色并成像。通过四台仪器计算信噪比，结果如图 2 所示。平均而言，我们获得的信噪比为 4.4，相比类似高内涵成像系统提高了两倍以上。高信噪比提高了检测灵敏度，与类似高内涵成像系统相比，我们能够在更深的层面检测到至少两倍数量的细胞核。

G 蛋白偶联受体（GPCR）是最大的一类药物靶点，广泛应用于基于细胞的筛选实验中。当 GPCR 被激活时，细胞质中的 β - arrestin 蛋白会转移到凹陷处和内吞小泡（图 3A）。在此实验中，用异丙肾上腺素（一种 GPCR 激动剂）处理表达绿色荧光蛋白（GFP）标记的 β - arrestin 蛋白的 U2OS 细胞，然后使用高内涵成像技术对内化的 GPCR 小泡进行成像和分析。通过计算 GFP 斑点的数量来计算该检测实验的 Z 因子得分（分别为 0.75 和 0.67）（图 3C）。

Cell Painting是一种高度多重的基于图像的检测方法，它使用多达六种荧光染料来标记八种细胞成分。事实证明，这是一种非常有效的表征细胞特征的方法，能够提供细胞状态、基因表达的替代指标，甚至还能揭示药物的作用机制。在这里，用一组少量的化合物处理 MCF7 乳腺癌细胞然后进行 Cell Painting 实验（图 4）。使用 lmageXpress HCS.ai 智能高内涵成像分析系统采集图像并利用 IN Carta 图像分析软件进行分析。数据分析则是在 StratoMineR 软件中进行，这是一个基于云的平台，专为分析多参数数据（如表型分析检测中的数据）而开发。

使用 IN Carta 软件进行图像分析，之后用 StratoMineR 软件进行数据分析，以此形成一套工作流程。

越来越多细胞间相互作用在许多细胞过程中，如新陈代谢、细胞信号传导和基因表达等，都起着至关重要的作用。因此，在检测实验中，3D 细胞模型（如球体模型）的应用越来越广泛。为了评估 lmageXpress HCS.ai 智能高内涵成像分析系统对 3D 样本的成像能力，我们在 U 型超低吸附板中培养了 HCT116 细胞形成球体。用化合物处理球体后，通过 Caspase3（细胞凋亡标记物）染色评估处理效果（图 5）。对未处理和阳性对照化合物处理的球体进行凋亡细胞核与总细胞核数量分析，得到 Z 因子平均值为 0.8（n=2 台仪器）。