解读文献里的那些图——流式细胞术
流式細胞術(Flow Cytometry,FCM)是一種對液流中排成單列的細胞或其它生物微粒(如微球、細菌、小型模式生物等)逐個進行快速定量分析和分選的技術,被廣泛的運用于從基礎研究到臨床實踐的各個方面,涵蓋了細胞生物學、免疫學、血液學、腫瘤學、藥理學、遺傳學及臨床檢驗等領域,在各學科中發揮著重要的作用。
如上圖所示:細胞懸液在通過流式細胞儀時,一次僅可通過一個細胞,那么機器是怎么分辨不同細胞的呢?這也是我們理解流式細胞圖的關鍵。
在此之前,我們先來了解一個概念:流式通道。
流式通道主要可以分為散射光通道和熒光通道:散射光通道有兩個,包括FSC通道和SSC通道,而不同型號的流式細胞儀其熒光通道的多少差異較大,有的甚至沒有熒光通道。
1.散射光通道
FSC,即前向角散射,它的值代表細胞的大小。細胞體積越大,其FSC值就越大。所以可以利用細胞的FSC值初步比較細胞的大小,利用FSC值對細胞進行分群和分類。
SSC,即側向角散射,它的值代表細胞的顆粒度(與細胞中所含的細胞器、細胞核等的數量成正比)。細胞越不規則,細胞表面的突起越多,細胞內能夠引起激光散射的細胞器或者顆粒性物質越多,其SSC值就越大。所以可以利用細胞的SSC值初步比較細胞的顆粒度,利用SSC值對細胞進行分群和分類。
當細胞通過激光束時,檢測器會檢測到細胞或顆粒的散射光,放置在前面的檢測器檢測FSC,而放置在側面的多個檢測器檢測SSC。這樣我們得到的就是細胞的物理特征,根據其物理特征進行分群分類。
2.熒光通道
熒光通道表示的不是細胞特有的物理特征,而是其化學特征。如需要檢測樣品中是否有細胞表達某一CD分子,就將這一CD分子的抗體與特定的熒光素偶聯,這種熒光素通過熒光通道時會被激發而產生熒光。這樣該抗體與被檢細胞結合后,就可以被識別到,我們也就能得到就能得到該樣品中是否有細胞表達該CD分子(即區分陽性細胞和陰性細胞),以及有多少比例的細胞表達該CD分子等信息。
熒光通道接收到的信號越強,表示細胞上結合的熒光素越多,那么細胞表面表達的該CD分子就越多,因此可根據熒光信號的強弱判斷細胞表達該CD分子的相對數量。總之,熒光通道值反映接收到的熒光信號的強弱,從而反映細胞上結合的熒光素的量,進一步反映細胞上表達該CD分子的量,最后間接反映細胞表達某CD分子這一化學特征。
了解了這個概念后,我們就可以很容易的看懂流式細胞圖在表達什么。
流式圖最常用的是流式直方圖和流式散點圖,還有一種流式等高線圖。流式直方圖只能顯示一個通道的信息,流式散點圖和流式等高線圖可以同時顯示2個通道的信息。
1.流式直方圖
流式直方圖是在統計學直方圖的基礎上進一步發展而成的。我們可以簡單的理解為曲線上該點對應的y軸值就是x軸代表的通道的熒光信號值對應的細胞數。
圖(1)中100~101(M1)為陰性細胞,101以上的(M2)為陽性細胞;圖(2)中2N代表G0/G1期細胞,4N代表G2/M期細胞,兩者中間代表S期細胞。
值得注意的是,不同細胞群的FSC值和SSC值最多相差幾倍,而熒光信號強弱之間一般相差很大,陰性細胞與陽性細胞之間、強陽性與弱陽性之間有時可以相差幾十倍、幾百倍,甚至幾千倍,呈指數關系。所以,流式圖數軸上FSC值和SSC值以“一般數序形式”表示,而熒光通道值常以“對數形式”(logarithmic scale)表示,在識圖時需要注意數軸的表示形式。當然,并不是所有的熒光通道值都以“對數形式”表示,當熒光信號值相差不多時,也可以“一般數序形式”表示。
2.流式散點圖
流式散點圖能夠同時表示兩個通道的信息,更加直觀和常用,x軸表示一個通道的值,y軸表示另一個通道的值,圖中每一點代表一個細胞,該點所對應的橫坐標值就是該點所代表細胞的x軸通道的值,所對應的縱坐標值就是該點所代表細胞的y軸通道的值。
如圖表示的是某正常人外周血白細胞FSC-SSC散點圖。FSC代表細胞的大小,SSC代表細胞的顆粒度,從圖中可以看出,根據細胞的大小和顆粒度,正常人外周血白細胞可以分為3群。小細胞、小顆粒度的紅色細胞群是淋巴細胞群,T細胞、B細胞和NK細胞都位于此淋巴細胞群;中細胞、中顆粒度的綠色細胞群是單核細胞群;大細胞、大顆粒度的黃色細胞群是中性粒細胞群。
一般在流式分析過程中,先利用FSC-SSC物理圖根據細胞的大小和顆粒度將細胞進行分群,然后根據目標細胞處于哪個群體,再將該群體細胞設門(set gate),進一步分析該群體中的目標細胞。
門(gate)是流式分析過程中一個較為重要的概念,流式分析時有時不希望所有的樣品細胞都顯示于流式圖中,而是希望只顯示感興趣的細胞,排除其他非相關細胞的干擾,使顯示的信息更加直觀,更具有針對性。例如,分析CD25+調節性T細胞占CD4+T細胞的比例時,此時可以根據CD4的表達情況,將CD4+T細胞設門顯示于一個新的流式圖中,則該流式圖只顯示所設門內的細胞,即只顯示CD4+T細胞,其他無關細胞不會被顯示。在相應散點圖中x軸代表CD4信息,y軸代表CD25信息,這樣就可以非常直觀地計算出調節性T細胞的比例。說白了就是框定一個區域的細胞,讓計算機分析該區域各類細胞的比例。
3.流式等高線圖
流式等高線圖與流式散點圖相似,一張流式等高線圖也能同時顯示兩個通道的信息,所不同的是,流式等高線圖借助地理等高線圖表示細胞的密集程度,流式等高線圖的環線代表的是細胞密度相同的區域,所以,等高線越密集的地方表示此區域細胞密度變化越快,環線的中央區域代表細胞聚集的中心。
流式等高線圖的意義和實際應用與流式散點圖較為相似,可以看作是流式散點圖的一個變體。相比之下,流式散點圖更為直觀,所以應用也更為廣泛。當然,流式等高線圖也有其自身的優點,它較能直觀地體現細胞群的集中點,等密度環線的中央區域代表一個細胞群的集中點,一般代表一個細胞群,所以在某些情況下,流式等高線圖比流式散點圖更能直觀地體現細胞的分群。
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總結
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