基于無透鏡衍射的細胞病毒感染在線定位檢測系統

病毒性疾病的傳播具有高度不穩定性和高度傳染性。作為病毒傳播的載體，細胞是探索病毒傳播機制和疾病的重要因素。然而，目前仍然缺乏有效的手段來連續監測細胞中病毒感染的過程，也沒有快速、高通量的方法來評估病毒感染的狀態。

據麥姆斯咨詢報道，近期，江蘇大學楊寧和哈佛大學張興才共同通訊（李桐歌為第一作者）在Science Advances期刊上在線發表題為“Virus detection light diffraction fingerprints for biological applications”的研究論文，研究成果被選為該期封面。該研究應用了灰度共生矩陣，有效地設置了兩個參數來區分細胞的病毒感染狀態和感染時間，并將細胞的病毒感染過程可視化。該研究為在細胞水平上選擇優良的家畜和家禽品種提供了一種高效且無損的測試方法。同時，該研究為隱性傳播的人傳人、動物傳動物和人畜共患病的檢測提供了方法，并且抑制和阻斷它們的進一步發展。

基于無透鏡衍射的細胞病毒感染在線定位檢測系統的原理與結構

鑒于病毒性疾病的動物源性，病毒性疾病的檢測不僅局限于人類。監測家畜或常見寵物如狗和貓等動物也很重要，因為人類與動物之間的密切接觸很容易傳播病毒。全球范圍內大量報道的寵物感染嚴重急性呼吸綜合癥冠狀病毒2型（SARS-CoV-2）的證據表明，動物在攜帶或傳播傳染性病毒方面具有一定的影響力。通過揭示與病毒侵入相關的細胞的生長狀態，可以及時檢測和阻止病毒的跨物種傳播或溢出。

然而，傳統的體外檢測病毒應激程度的方法周期長，試劑種類繁多，并且難以自動化處理，這在檢測后會對細胞造成不可逆的損害。 目前，常用的儀器檢測方法受到檢測手段的缺陷限制，無法實現對特定細胞樣本的信息提取。因此，實時方法為控制和預防病毒性疾病的傳播提供了簡便的研究思路。由于技術障礙，臨床檢測病毒性疾病需要大量時間和復雜的實驗進行分析和測試，導致檢測到的目標病毒范圍小或生成的二進制信息質量相對較低。因此，基于細胞水平的病毒學研究不僅可以優化檢測過程，而且可以從本質上揭示感染過程并探索病毒抑制方法。

傳統的病毒應激細胞狀態檢測方法可分為標記方法和非標記方法。主要的標記方法包括甲基噻唑啉偏二甲苯磺酸鹽（MTT）、2,3-雙-(2-甲氧基-4-硝基-5-磺基苯基)-2H-四唑-5-羧酰胺（XTT）和細胞計數試劑盒-8（CCK-8）測試，其原理是區分死細胞和活細胞并計算細胞數量，一方面檢測與細胞健康狀態密切相關的細胞中的某些物質，另一方面，由于標記對細胞的侵害，無法在長周期內監測細胞狀態的多個時間節點，因此沿著這一趨勢發展出了新的細胞活動檢測方法。

由于傳輸光的相位分布與細胞體形態密切相關，因此Schmitz等人提出通過顯微成像和RNA篩選來測量細胞活動，并提取所測量對象的相關信息。然而，顯微成像技術的視野較小，難以滿足高通量的細胞樣本成像和信息提取需求。此外，電或電化學信號需要特殊的電極來建立適應細胞生長的培養環境，研究成本高，對電極性能有要求。這時，基于光譜學的無損檢測技術的優勢進一步凸顯。

無透鏡全息技術打破了傳統顯微鏡的缺陷，并提供了既具有高分辨率又具有寬視野的顯微成像技術，能夠滿足細胞活動評估的高通量需求。其成像區域可擴展數百倍，為適應不同樣本和應用場景的需求提供了更大的靈活性。 基于以上研究成果，研究人員開發了基于連續和高通量細胞的病毒光散射指紋的生物應用，用于病毒檢測，可應用于人類、寵物和家畜的病毒性疾病檢測，以及在細胞水平上選擇和繁育優良的家畜和家禽品種。另一方面，它還可以及時檢測和抑制人與人、動物與動物以及人畜共患病的隱藏傳播，并阻止其進一步發展。

圖2 不同形態細胞的衍射指紋分析 一個例子是，通過拍攝病毒應激細胞的光散射光譜，利用無透鏡大場衍射成像平臺獲取了病毒應激細胞的衍射指紋，將指紋信息量化以篩選高度耐受的細胞。首先，根據感染病毒的細胞形態的變化，探索了對光學路徑的影響。具有不同形態的細胞的衍射指紋在一定程度上是不同的。其次，研究人員發現了一種有效反映細胞病毒應激程度的指紋特征。此外，研究人員通過使用灰度共生矩陣（GLCM）定義的兩個參數，對指紋特征進行量化。最后，開發了基于無透鏡衍射的病毒應激細胞的在線定位檢測系統，并對檢測結果進行了聚類。利用豬睪丸細胞系（ST）和豬假性狂犬病病毒（PRV）對細胞進行病毒感染實驗，將其與其他衍射指紋量化方法進行了比較，并使用MTT方法驗證了實驗結果。

圖3 灰色共現矩陣分析了病毒感染不同時期的衍射指紋圖譜

圖4 衍射指紋圖譜的聚類結果和比較分析

與許多當前病毒檢測方法相比，該研究提出的方法是一種光譜學無損測試，不需要化學試劑且不具破壞性。該研究實現了對某一細胞感染病毒的定位檢測，同時可以同時檢測許多其他細胞。本文中設置的分析參數首次進行了系統研究，可以實現更好的分類效果。

審核編輯：黃飛