利用重力创建用于快速细胞分析的低成本微流体装置

莱斯大学乔治·R·布朗工程与计算学院的一组研究人员开发了一种创新的人工智能（AI）驱动的低成本设备，该设备将使流式细胞术（一种使用激光束分析流体中细胞或颗粒的技术）变得经济实惠且易于使用

该原型能够以与更昂贵、更笨重的传统流式细胞仪相似的精度从未纯化的血液样本中识别和计数细胞，在几分钟内提供结果，并且非常便宜和紧凑，这使得它对护理点临床应用非常有吸引力，特别是在资源匮乏和农村地区

Leonard and Mary Elizabeth Shankle生物工程副教授Peter Lillehoj和生物工程与化学助理教授Kevin McHugh领导了这种新设备的开发。这项研究发表在《微系统与纳米工程》杂志上。

流式细胞术最早开发于20世纪50年代，是一种强大的单细胞分选和分析技术，在免疫学、分子生物学和癌症生物学以及病毒学等多个医学领域都有应用。它是临床诊断和护理的“金标准”实验室测试，广泛应用于生物医学研究。然而，它的使用目前仅限于最先进的诊断实验室和医疗中心，因为它需要从数万美元到数十万美元不等的大型昂贵设备和经过专门培训的工作人员来操作它。

来源：微系统与纳米工程（2025）。DOI:10.1038/41378-025-00881-y

该研究的通讯作者Lillehoj说：“传统的流式细胞术在美国和全球许多资源有限的环境中并不实用。”。“通过我们的方法，这项技术可以以很低的成本轻松完成。我们设想我们的创新设备将为许多新的护理点临床和生物医学研究应用铺平道路。”

利用基于重力的段塞流构建一种低成本、无泵的流式细胞仪

目前的流式电池仪依赖于专门的泵和阀门进行流体流动和控制，使设备昂贵而笨重。在尝试了几种替代的微流体流动方案后，Rice团队设计了一种创新的无泵设计解决方案，这是降低设备成本和尺寸的关键

Desh Deepak Dixit和Tyler Graf——分别由Lillehoj和McHugh指导的研究生——对微流体装置的各种参数进行了微调，以实现重力驱动的段塞流。与流体速度根据作用在流体上的静水压力而变化的静水重力流不同，重力驱动的段塞流允许样品以恒定速度流过微流体装置，这对精确的细胞分选和分析至关重要

段塞流是一种两相流模式，当由一种或两种离散相流体组成的流体通过管道或通道时观察到。它主要用于通过油气井、化学反应器和发酵罐中的工业设备运输大量液体，并由对流体动力学感兴趣的研究人员进行研究

“据我们所知，这是重力驱动的段塞流首次用于生物医学应用，”Lillehoj说

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人工智能能够快速计数未纯化血液样本中的特定免疫细胞

该研究的第二个重要创新是人工智能的使用，它促进了未纯化血液样品中一组称为CD4+T细胞的特殊免疫细胞的快速准确计数

CD4+T细胞计数是身体免疫状态的可靠标志物，用作癌症和传染病（如艾滋病毒/艾滋病和新冠肺炎）的诊断和预后标志物。然后将样品通过微流控芯片，并用光学显微镜和摄像机记录流动情况

为了加快图像分析和量化，研究人员通过训练一个复杂的神经网络（一种用于图像分类和对象识别的机器学习算法）来添加人工智能功能，只检测标记有珠子的细胞

“从未纯化的血液样本中识别和量化CD4+T细胞只是使用该平台技术可以实现的一个例子，”McHugh说，他也是德克萨斯州癌症预防和研究所的学者

“通过使用标记有不同抗体的珠子，这项技术可以很容易地用于对各种生物样本中的各种细胞类型进行分类和分析。基于我们迄今为止取得的有前景的结果，我们对该平台在未来改变疾病诊断、预后和生物医学研究领域的潜力非常乐观。”