Zellzählung mit digitaler holografischer Mikroskopie - die Zukunft der Zellzählung

Die Zellzählung gehört zu den am häufigsten durchgeführten Aufgaben in zellbiologischen Arbeitsabläufen und wird bei der Vorbereitung von Zellen für die Kultivierung, das Passagieren, die Transfektion, das Gen-Editing oder die Assay-Entwicklung verwendet. Dennoch verlassen sich viele Labore weiterhin auf manuelle Zählungen mit Hämozytometern, eine Technik, die sich seit mehr als einem Jahrhundert kaum verändert hat. Obwohl sie weit verbreitet ist, kann die manuelle Zählung zeitaufwendig und arbeitsintensiv sein und unter Anwender-zu-Anwender-Variabilität leiden, was bedeutet, dass die Ergebnisse oft von der individuellen Beurteilung abhängen, insbesondere bei der Beurteilung der Zellviabilität und Morphologie.

Alternative Technologien bieten eine bessere Genauigkeit und einen höheren Durchsatz, haben jedoch auch ihre eigenen Einschränkungen. So können Systeme auf Basis der resistiven Impulsdetektion zwar große Zellmengen schnell verarbeiten, liefern aber nur begrenzte Informationen über den Zellzustand und die Morphologie. Im Gegensatz dazu liefert die Durchflusszytometrie zwar hochdetaillierte Daten, erfordert jedoch häufig spezielles Fachwissen, erhebliche Investitionen und einen eigenen Laborraum. Infolgedessen stehen viele Forschende vor einem Kompromiss zwischen Einfachheit, Geschwindigkeit, Genauigkeit und der Tiefe der bei jeder Messung verfügbaren Informationen.

Der CytoDirect Zellzähler unterstützt Labore weltweit dabei, diese Herausforderungen zu überwinden, indem er automatisierte Zellzählung mit fortschrittlicher morphologischer Analyse in einem kompakten und benutzerfreundlichen Format kombiniert. Die Technologie der digitalen holografischen Mikroskopie funktioniert, indem sie mit einem Laser- und Kamerasystem ein Hologramm einer Probe aufzeichnet. Anschließend rekonstruieren fortschrittliche Algorithmen diese Informationen, um detaillierte 3D-Bilder und Informationen über einzelne Zellen und Zellpopulationen zu erzeugen. Im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Methoden ist die digitale holografische Mikroskopie markierungsfrei und nicht destruktiv. Zellen müssen nicht gefärbt werden, wodurch Proben für nachgelagerte Anwendungen erhalten bleiben, die Probenvorbereitungszeit verkürzt und Reagenzkosten vermieden werden.

Durch das Entfernen dieser Vorbereitungsschritte lassen sich Arbeitsabläufe schneller und konsistenter gestalten, was für vielbeschäftigte Labore entscheidend ist. Messungen können innerhalb von Sekunden abgeschlossen werden, was schnelle Entscheidungen ohne langwierige Vorbereitung oder Inkubation ermöglicht. Die automatisierte Analyse beseitigt zudem einen Großteil der mit der arbeitsintensiven manuellen Zählung verbundenen Variabilität und trägt dazu bei, die Reproduzierbarkeit zwischen Anwendern und bei unterschiedlichen Experimenten zu verbessern. All dies ist zudem in einem kompakten System verfügbar, wodurch die Technologie in einer breiten Palette von Laborumgebungen zugänglich wird, von akademischen Forschungseinrichtungen bis hin zu Laboren für die biopharmazeutische Entwicklung.

Die Holografie geht auf die 1940er-Jahre zurück, als der Ingenieur und Physiker Dennis Gabor die Technik erstmals beschrieb. Für diese Arbeit erhielt Gabor 1971 den Nobelpreis für Physik [1]. Später wandte Gabor die Holografie in der Mikroskopie an, um die Auflösungsfähigkeit von Elektronenmikroskopen zu verbessern [2]. Die digitale holografische Mikroskopie baut auf diesem Prinzip auf. Sie rekonstruiert Probenbilder aus Interferenzmustern statt aus physischem Film. Maschinelles Lernen erweitert diese jahrhundertealte Technik inzwischen, und die Kombination analysiert ganze Zellpopulationen innerhalb von Sekunden.

Genaue Rohzellzahlen sind unerlässlich, doch die moderne Forschung erfordert zunehmend auch tiefere Einblicke in Zellgesundheit und -qualität. Zellen können mithilfe mikroskopiebasierter Verfahren manuell klassifiziert werden, doch da dies per Augenschein erfolgt, ist es von Natur aus mit Benutzerbias verbunden und führt zu Variabilität. Einer der wichtigsten Vorteile des CytoDirect Zellzählers ist seine Fähigkeit, Zellen objektiv zu klassifizieren und die Lebensfähigkeit zu bewerten, wodurch subjektive Verzerrungen minimiert werden. Die Technologie analysiert subtile Unterschiede in der Zellmorphologie und im Brechungsindex, unterscheidet zwischen lebenden und toten Zellen und vermeidet Trümmer und Verunreinigungen innerhalb der Probe (Abb. 2).

Abbildung 2: Vom CytoDirect Zellzähler bereitgestellte „Viabilitätskarte“. Mithilfe morphologischer Analyse kann das Gerät zwischen lebenden und toten Zellen unterscheiden und andere Trümmer im Medium ausschließen.

Algorithmen des maschinellen Lernens erweitern diese Fähigkeit. Die Modelle werden anhand umfangreicher Datensätze der digitalen holographischen Mikroskopie trainiert, sodass sie Zellen automatisch klassifizieren und Echtzeit-Bewertungen der Populationsgesundheit erstellen können. Dies ermöglicht es Forschenden, die Zellviabilität über eine gesamte Probe hinweg mit einer Viabilitätskarte zu visualisieren und potenzielle Probleme zu erkennen, bevor kostspielige nachgelagerte Experimente durchgeführt werden. Die Fähigkeit, morphologische Veränderungen zu überwachen, ist besonders wertvoll beim Arbeiten mit Zelltypen, die ihr Erscheinungsbild während der Aktivierung oder Differenzierung verändern, wie T-Zellen, oder bei der Bewertung zellulärer Reaktionen im Rahmen von Wirkstoffscreenings und Toxizitätsstudien. Anstatt sich ausschließlich auf Zellzahlen zu verlassen, können Forschende Entscheidungen auf der Grundlage eines umfassenderen, datenbasierten Bildes der Probenqualität treffen.

Die Kombination aus digitaler holographischer Mikroskopie und maschinellem Lernen im CytoDirect Zellzähler stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Zellanalyse dar. Die Automatisierung routinemäßiger Messungen und die Bereitstellung tieferer Einblicke in die Probenqualität tragen dazu bei, Variabilität zu verringern, das Vertrauen in experimentelle Ergebnisse zu erhöhen und während des gesamten Forschungsprozesses fundiertere Entscheidungen zu ermöglichen.

Da die Anforderungen an Produktivität, Reproduzierbarkeit und Datenqualität weiter steigen, werden Technologien, die auf diese Weise sowohl Effizienz als auch handlungsrelevante Informationen liefern, in der modernen zellbasierten Forschung eine zunehmend wichtige Rolle spielen.