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基于图像分析的DNA定量分析研究

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  20世纪90年代初至今,计算机成本的下降以及性能的大幅度改进、CCD技术和图像处理技术的发展,使得ICM技术在癌症早期诊断的细胞DNA定量分析技术中异军突起。其原理是医学病理上常用的细胞切片、印片或涂片,经固定液固定后用Feulgen染色,利用精密透射光学显微镜、窄带干涉滤光片、高精度图像采集系统将细胞DNA的数字化灰度图像摄入计算机,通过图像处理技术对该细胞DNA图像灰度形态进行定量分析,计算出每个细胞的积分光密度(IOD)值,再根据BeerLambert光吸收定律将单个细胞的IOD值与标准定标细胞相比后,换算成细胞DNA的绝对质量并给出被测细胞的倍体分布及细胞周期(即G0/G1期,S期,G2/M期)等参数。医师借助这些参数即可作出诊断。此方法简便、实用而且准确度高,对人体及其它动物肿瘤或癌症的早期病理分析和诊断研究具有重大参考意义。ICM(Image Cytometer)不仅能对极少量的细胞核作DNA含量和倍体分析,而且可同时测量细胞核的形态参数(面积、形态因子、纹理特征等)并通过图像处理技术加以辅助分析。因此ICM及其仪器在国际上逐步在病理诊断学、细胞生物学、组织胚胎学、遗传免疫学等领域得到了越来越广泛的应用,已经成为DNA定量测量,尤其是肿瘤的细胞学诊断的一项快速、客观、有效的重要手段[1,2]  。近几年来,用DNA倍体分析系统进行宫颈癌及癌前病变的诊断在国外已有大量报道[3~10] 。此外,细胞DNA定量分析诊断方法在北美及欧洲已作为一种常规临床检测方法之一 [11~13]。

  1  材料与方法

  1.1  材料宫颈脱落细胞样本取自湖北省武汉市肿瘤医院、湖北省黄石市第一医院和山东淄博计划生育研究所,保存于50%的乙醇溶液(细胞保存液)中。鸡血红细胞取自健康公鸡的动脉血,加入0.3%~0.4%的柠檬酸钠抗凝剂,保存于50%的乙醇溶液(细胞保存液)中。

  1.2  方法采用液基薄层制片技术,对制作的玻片进行Feulgen染色,再利用全自动DNA细胞图像定量分析仪完成对细胞图像的采集、处理和DNA定量分析。

  1.2.1  液基薄层制片 在细胞保存液中加入0.1%DTT消化液放在振荡器上振荡2 h,然后将消化后的细胞悬液离心5 min(800 r/min),弃上清液后加入50%乙醇分别清洗、离心2次(800 r/min×5 min/次)。然后将用保存液稀释的细胞混悬液放入细胞涂片离心机甩片5 min,制成薄层细胞学玻片[14] 。

  1.2.2  Feulgen染色  固定液:10%缓冲福尔马林液(pH 7 .4);酸解液:盐酸,浓度5mol/L;酸解温度:25℃(与武汉四五月份室内温度基本接近);酸解时间: 45 min;测量滤色镜波长:560 nm。染色过程: 涂片空气干燥1 h,固定液固定1 h;蒸馏水漂洗10 min;5 mol/L HCl,25℃酸解45 min,(温控水浴);蒸馏水漂洗5 min;与Schiff染液反应45 min (25℃);蒸馏水漂洗5 min;自来水冲洗15 min (稳水),常规乙醇脱水,二甲苯透明,树脂封固[15,16]  。

  1.2.3  DNA定量分析 全自动DNA细胞图像定量分析仪的系统构成及分析流程  :武汉大学光谱与成像仪器工程技术研究中心自主开发的全自动DNA细胞图像定量分析仪硬件系统由Olympus BX41显微镜、恒流源、自动上下片系统、精确位移三维平台(包括载物台、步进电机、三轴原点定位传感器、条码扫描器等)、CCD摄像机、操纵杆、控制器和、计算机等组成(见图1)。软件系统自动聚焦、扫描、图像采集程序(卢国强. ICM分析自动化及应用研究.武汉大学硕士学位论文),细胞图像数据库、细胞特征库、知识模型库和智能分析处理程序(张燕. 遗传算法和支持向量机在DNA细胞图像分析仪中的应用.武汉大学硕士学位论文),六大功能模块构成。分析流程如图2所示。

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