01 实验背景介绍

细胞凋亡 (Apoptosis)、铁凋亡 (Ferroptosis) 和坏死性凋亡 (Necroptosis) 是三种不同形式的程序化细胞死亡。这些途径中的每一种都可以被利用来终止癌细胞。一个有希望的治疗策略是在癌细胞进化出躲避凋亡的机制后，激活替代的细胞程序性死亡途径确保癌细胞死亡。众所周知，细胞程序性死亡时除了有分子变化外，每种形式的程序性细胞死亡都伴随着一套独特的形态学变化。今天我们将会为大家详细解读发表于 Apply Science 的一篇文章，研究的目的是测试一个仅利用细胞形态学来区分细胞死亡方式的模型，作者使用 HoloMonitor M4 活细胞成像系统来监测人类黑色素瘤细胞的凋亡、铁凋亡和坏死情况，使用全息成像技术衍生的细胞形态特征开发并验证了一个准确率高达 91-93% 的细胞死亡形式分类模型。

 

 

许多细胞过程，例如细胞分裂、细胞密度和细胞运动都会影响到细胞的形态， 将细胞形态分析与细胞增殖和细胞运动相结合不仅可以用于例如细胞毒性研究或体外药物开发，还可以研究细胞周期、分析细胞死亡动力学或对亚群进行分类。

HoloMonitor M4 活细胞成像系统的细胞形态学检测可实现对各种形态特性（包括单个细胞体积、面积和厚度）的无创活细胞成像和动力学分析。通常，我们所指的细胞形态可能只包括细胞面积、细胞体积，或者是细胞形状。

但是，使用 HoloMonitor 活细胞成像系统，您可以随时分析多达 30 多种不同的细胞形态特征。最重要的是，其中许多参数只能通过数字全息技术得到。此外，您可以将此应用与其他 HoloMonitor 活细胞成像仪的应用相结合，从同一样本中获得更多结果， 比如细胞增殖和细胞运动数据。

 

您可以通过细胞形态应用得到：

1.散点图。您可以从 30 多个形态特征中选择您需要的特征来帮助您比较实验不同时间点的细胞特征，有助于可视化对照细胞和处理细胞之间的差异。

2.选通区域。使您能够对亚群进行分类并识别感兴趣的细胞。此外，您可以添加单细胞追踪应用以进行进一步的单细胞分析。

3. 直方图。 显示了选定时间点选定形态参数的细胞群分布。

 

02 实验设置

作者用人类黑色素瘤细胞 501mel 作为模型，运用三种已知可以引起细胞凋亡，坏死性凋亡和铁凋亡的小分子药物来分别处理 501mel 细胞并实时追踪细胞变化。其中 Shikonin 会引起坏死，Staurosporine 引起凋亡，Erastin 引起铁凋亡（图 1 与图 2）。

 

 

03 实验结果

作者发现发展成坏死性凋亡的细胞厚度有明显增加，而铁凋亡的细胞体积则会显著下降。如图三所示，红色为 erastin 引起的铁凋亡，蓝色为 shikonin 引起的坏死性凋亡，两者在厚度与体积之间的区别十分明显，因此体积和厚度这两个条件就足以区分这两种不同的细胞程序性死亡的类型。

而细胞凋亡比起其他两种死亡方式则相对复杂一点，因此作者通过引入更多的细胞形态表征来生成了一个四节点的区分图（图 4）。如图 4 所示， 作者引入了 phaseshifted 和 boxed length 两个形态特征来对细胞进行进一步的区分（Erastin 会诱导铁凋亡，Shikonin 会诱导坏死性凋亡，Staurosporin 会诱导细胞凋亡）。并且利用该模型区分坏死和铁凋亡的准确率分别达到了 97% 和 98%，而细胞凋亡与健康细胞的区分也达到了 88% 的准确率。

 

04 实验总结

这篇文章成功证明了：1.HoloMonitor M4 活细胞成像仪可以在不需要对细胞进行标记或染色的前提下也可以进行准确区分细胞死亡的不同类型，2. 这个方法基于活细胞的实时成像，因此可以实时检测细胞活力和评估每种形式的程序性细胞死亡的动力学。3.  该方法具有单细胞分辨率，因此可以提供经历不同形式的程序性细胞死亡的群体的百分比信息。4. DHC 是一种非侵入性和非终点的检测方法，因此分析完成之后的细胞样本仍可用于进一步的分子分析。

 

05 拓展阅读

如果你想了解更多对如何只用细胞表征来区分细胞死亡类型的话，可以继续阅读以下几篇文献：

1. Chlorine exposure induces Caspase-3 independent cell death in human lung epithelial cells. Karlsson T et al. Toxicol In Vitro. 2022

2. Contribution of TMEM16F to pyroptotic cell death. Ousingsawat J et al. Cell Death Dis. 2018

3. CFTR supports cell death through ROS-dependent activation of TMEM16F (anoctamin 6). Simões F et al. Pflugers Arch. 2018

4. Ion channels in regulated cell death. Kunzelmann KCell Mol Life Sci. 2016

5. Induction of morphological changes in death-induced cancer cells monitored by holographic microscopy. El-Schich Z et al. J Struct Biol. 2015.

6. Promising anticancer activity of Cyclotrichium niveum L. extracts through induction of both apoptosis and necrosis. Özdemir A et al. Food Chem Toxicol. 2017