大顆粒流式細胞分選儀的研究應用 (1)
Research Applications of Large-Particle Flow Cytometry (1)
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當代生命科學研究中，流式細胞儀被視為分析與分選細胞的核心技術，特別在免疫學、腫瘤學與分子生物學等領域中佔有舉足輕重的地位。然而，傳統流式細胞儀主要針對懸浮於液體中的單一細胞設計，難以涵蓋體積更大、結構更複雜且需維持完整性的生物樣本。隨著研究議題的推展，科學家逐漸意識到，僅以單細胞為觀察單位，已不足以解答眾多與發育、生態及藥理相關的複雜科學問題。小型多細胞生物、胚胎以及三維細胞模型（如 spheroids）因更能模擬真實生理環境，遂成為研究新焦點，也促使大顆粒流式細胞分選儀（Large-particle Flow Cytometers, LPFCs）的發展。這類系統（如 COPAS 與 BioSorter）突破了傳統流式細胞儀的限制，能處理直徑自二十微米至數毫米的樣本，涵蓋秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）、珊瑚胚胎、魚類幼生、三維細胞球以至小型組織片段。為確保脆弱樣本的完整性，LPFCs 特別採用溫和的氣動式分選機制，並結合光學偵測與即時影像技術，使研究者能以高通量且非破壞性的方式獲取多維度資訊。憑藉這些技術優勢，LPFCs 已廣泛應用於毒理學高通量篩檢、藥物開發、發育生物學、模式生物研究與環境生態監測。本文將綜整近年發表於國際期刊的相關研究案例，從不同應用領域切入，以 LPFCs 作為銜接細胞層級與組織層級研究的關鍵橋樑，以推動跨尺度生物學探索。
用「大顆粒流式細胞分選儀」讀懂珊瑚的誕生：快速計數與光譜分選的新方法
Rapid counting and spectral sorting of live coral larvae using large-particle flow cytometry
此篇研究針對鹿角盤珊瑚 (Montipora capitata) 的胚胎與幼生期樣本，評估使用大顆粒流式細胞儀（large-particle flow cytometer）結合溫和氣動分選技術，進行活體與保存樣本的即時尺寸與螢光光譜分選與計數之可行性。研究發現，機械氣動分選的幼生在分選後 24-36 小時存活率超過 90%，與傳統人工分選的存活率無顯著差異；卵與胚胎在分選過程中亦保持完整，能依物體尺寸與螢光訊號有效分選。透過儀器內置的明視野顯微攝影，在樣本通過流道時即時拍攝影像，使研究者能辨認出二細胞期 (2-cell) 至桑椹胚期 (morula stage) 等早期發育階段。處理速度方面，平均每隻幼生計數與分選時間為約 4 秒，高密度樣本最快可達 0.2 秒／隻。總結而言，此方法顯著提升在珊瑚釋卵期間樣本處理與資料蒐集的效率與準確性，有潛力支持更大樣本量與更高重複性的早期生活史研究，並可應用於更多珊瑚物種。
會「看懂」土壤生物的機器：智慧型土壤生物偵測器與 AI 輔助鑑定
The Smart Soil Organism Detector: An instrument and machine learning pipeline
for soil species identification
土壤生物多樣性研究受限於龐大的生物數量與複雜的基質環境，每一個腳印下皆可能涵蓋數百萬個微小生物，但傳統需依賴繁瑣的萃取與顯微鏡觀察，且維持樣本活性以探究其生活史與生態功能往往困難甚至不可能，功能與分類鑑定亦面臨挑戰。此研究開發一套結合高解析成像、多光譜偵測、大顆粒流式細胞技術與機器學習的系統 - Smart Soil Organism Detector (Smart SOD)，可在高通量、高解析度、非破壞性與可重現的條件下，自動完成土壤生物的萃取、分離、計數、鑑定與分選。結果顯示，該系統能以 100% 外部樣本準確率區分活線蟲、死線蟲及其表皮，並以 95.5% 準確率與 99.4% 特異性鑑別線蟲品系（亞種），同時以 96.1% 準確率將土壤微型節肢動物鑑別至綱級。整體而言，Smart SOD 展現廣泛適用於多類群土壤生物的潛力，為推進全球土壤生物多樣性理解的重要新工具。
非人靈長類脂肪細胞的單細胞分選：大顆粒流式細胞術的應用
Single-Cell Sorting of Non-human Primate Adipocytes with Large-particle Flow Cytometry
脂肪細胞 (Adipocytes) 是白色脂肪組織的主要細胞，直徑可達 200 微米，且富含脂質，極為脆弱。傳統的流式細胞儀主要設計用於處理直徑約 10 至 25 微米的細胞，對於如此大型且易碎的脂肪細胞而言，進行單細胞分選存在顯著的技術挑戰。 為了解決上述挑戰，Jacob J. Robino 等人於 2021 年發表於 Current Protocols，提出了一種針對非人靈長類動物脂肪細胞進行單細胞分選的方法。研究團隊使用了 COPAS VISION 大顆粒流式細胞儀，該儀器配備了大口徑噴嘴和低壓氣動分選機制，能夠在減少剪切力的情況下處理大型細胞。此外，脂肪細胞被標記上螢光脂肪酸和活細胞指示劑，以便在分選過程中進行即時觀察和分析。該方法成功實現了獼猴脂肪細胞的單細胞分選，為研究脂肪細胞在營養攝取和代謝方面的細胞自我異質性提供了有力工具，對於基礎和轉譯研究，特別是理解脂肪細胞發展和功能，具重要價值。
三重共培養腫瘤球模型用於體外抗腫瘤脂質體測試
Triple co-culture spheroid models of lung and ovarian carcinoma cell lines for the in vitro testing of antitumor liposomes
以球狀體 (spheroids) 方式培養的腫瘤細胞，因其能呈現腫瘤微環境（tumor microenvironment, TME）的關鍵特徵，包括細胞間相互作用、細胞外基質（extracellular matrix, ECM）生成及擴散梯度，因此被證實優於傳統單層培養（monolayers）作為固態腫瘤的體外模型。然而，僅由腫瘤細胞構成的單一培養腫瘤球（monoculture spheroids）仍缺乏非腫瘤細胞成分，無法完全重現體內 TME 的複雜性。此研究開發了包含腫瘤細胞、組織特異性纖維母細胞及內皮細胞的三重共培養腫瘤球模型，旨在更完整地模擬體內 TME 特性。透過改良的液體覆蓋技術（modified liquid overlay technique），成功製備了具藥物抗性的肺癌與卵巢癌細胞的三重共培養腫瘤球。該模型展現出多項體內腫瘤特徵，包括 ECM 生成與細胞類型的特定空間分布：纖維母細胞於腫瘤球生長過程中持續聚集於核心，而內皮細胞僅在纖維母細胞存在時才出現在核心區域。此外，先前在單層培養中證實對多重藥物抗性腫瘤細胞具有選擇性毒性的脂質體配方，在多細胞類型的腫瘤球中毒性顯著下降，且毒性程度與腫瘤球組成密切相關。此結果顯示，三重共培養腫瘤球可作為更貼近體內腫瘤特性的體外模型，有助於在進行動物實驗前優化抗腫瘤療法。
斑馬魚中具成礦與成骨活性化合物的篩選 - 提升檢測通量與數據準確性的工具
Screening of Mineralogenic and Osteogenic Compounds in Zebrafish—Tools to Improve Assay Throughput and Data Accuracy
斑馬魚因其透明體色、快速發育與骨骼形成過程與哺乳類高度保守，已成為研究骨生成與礦化機制的重要模式動物。然而，利用斑馬魚進行藥物篩選仍面臨通量與數據準確性的限制。此篇研究針對斑馬魚胚胎與幼體的骨生成與礦化化合物篩檢，提出一系列可提升效率與精確度的工具與方法，包括螢光染劑應用、自動化影像擷取、標準化樣本處理，以及計算輔助分析流程。透過這些改進，研究者能以更高通量獲取斑馬魚骨骼相關的形態與功能數據，並有效降低人工判讀與批次差異所帶來的偏誤。綜合而言，本研究展示了整合性策略如何提升斑馬魚在骨生成與礦化化合物篩檢中的應用價值，為骨骼疾病治療藥物的前期發現提供更具效率與可靠性的實驗平台。
斑馬魚藥物篩選流程與技術創新的整合，可實現標準化與自動化操作，進而提升篩選通量與數據準確性。
跨父系環境與遺傳背景的胚胎表徵：代際表觀遺傳遺傳的系統性分析
Embryonic signatures of intergenerational epigenetic inheritance across paternal environments and genetic backgrounds
過去的研究多集中於母體環境對後代的影響，然而，父體環境對胚胎發育的影響尚未得到充分研究。本研究旨在系統性地揭示父代環境對胚胎分子特徵的影響，並探討其跨代遺傳的可能性。此研究探討了父代環境與基因背景如何影響胚胎發育的分子特徵。 研究團隊利用體外受精技術，從不同父代環境（如腸道菌群失衡、低蛋白高糖飲食）中獲取胚胎樣本，並進行單細胞轉錄組分析。這種方法能夠捕捉到胚胎在受精後早期階段的分子變化，提供了高解析度的數據。 本研究揭示了父代環境對胚胎發育的影響，並提出了研究跨代遺傳現象的新方向。未來的研究應該進一步探討父代環境如何通過分子機制影響胚胎發育，並考慮父代基因背景和年齡的影響。
JEDI 標記作為地球生物多樣性的通用衡量指標
The JEDI marker as a universal measure of planetary biodiversity
地球生物多樣性是維持生態系統功能與韌性的核心，然而由於缺乏統一的衡量指標，全球生物多樣性的量化與長期監測仍面臨重大挑戰。此研究提出「Joint, cellular life-Encompassing DIversity（JEDI）」標記，作為一種普適、可擴展且可量化的生物多樣性評估工具。JEDI 標記基於一段核糖體 RNA 基因片段，僅需單對 PCR 引子即可涵蓋所有生命領域，包括細菌、真菌、植物與動物。本方法展現了跨尺度的應用潛力，能從單一共生體（holobiont）延伸至複雜生態系，並結合自動化的生物資訊流程，確保分析的標準化與可重複性。儘管存在一定的限制，其核心優勢在於提供了一個操作性強且具可擴展性的解決方案，能將微生物多樣性納入全球尺度的生態評估，揭示跨生命領域的動態與交互作用。為驗證 JEDI 標記在單細胞層級的應用，研究團隊於 2023 年 3 月在 TREC 探勘計畫 Astan 時序站採集表層海水樣本，經濃縮過濾後，利用 COPAS Vision 500 大顆粒流式細胞分選儀精確分離矽藻 Rhizosolenia sp. 單一細胞，進行後續分析。透過 JEDI 標記的兩步 PCR 擴增與 Illumina 高通量定序，獲得高品質的代謝條碼數據，成功解析共生體內跨域多樣性與群落動態。此案例展現了結合影像導向分選與高通量定序的整合流程，不僅能在非破壞性條件下追蹤單細胞層級的生物多樣性，亦彰顯其在全球尺度生態研究中的廣泛潛力，提供了一個標準化、可重複且具擴展性的研究框架，為探索微生物與多細胞生物的互作機制開啟新途徑。
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