Cellular Morphometry for Interrogating Nanomaterial–Cell Interactions

doi:10.1021/accountsmr.6c00077

Cellular Morphometry for Interrogating Nanomaterial–Cell Interactions

2026-05-28

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DOI：10.1021/accountsmr.6c00077

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综述：纳米材料与细胞的相互作用是众多诊疗和纳米医学应用的基础。例如，为诱导靶向治疗效果，诊疗纳米材料需要被目标细胞选择性内吞，同时避免被非目标细胞非特异性摄取。纳米材料与细胞的特异性摄取主要受纳米材料-细胞相互作用程度的影响。这些相互作用进一步决定下游生物学过程，如细胞内运输、毒理学反应和细胞清除，最终决定治疗效果和生物相容性。因此，人们已积极致力于制定策略以选择性地调节和探究纳米材料-细胞相互作用。虽然可以利用许多生物标志物来阐明纳米材料-细胞相互作用及其相关生物学效应，但实现这一目标的最直接方式之一是通过显微成像可视化纳米材料处理细胞的形态变化。事实上，细胞形态的变化通常与其他生物标志物表达的变化一起监测，以确定各种纳米材料的治疗效果和安全特性。包括明场、相差、扫描探针和荧光技术在内的一系列显微模态，已使在细胞和亚细胞水平直接可视化纳米材料结合、摄取和定位成为可能。尽管从细胞形态检查中获得了大量见解，但许多研究仅限于手动检查和定性观察，使得这些解释具有高度主观性且可能可靠性较低。此外，仅通过常规视觉评估可能无法检测到细微但生物学上重要的形态变化。随着先进计算技术（尤其是基于人工智能（AI）和机器学习的技术）在显微镜图像处理和分析中的应用日益广泛，定量探查细胞形态（即细胞形态测量）以实现更客观、可重复和可靠的分析与解释已成为可能。通过从显微镜图像中提取与细胞大小、形状、纹理和强度相关的数值描述符，细胞形态测量将定性视觉数据转化为可系统分析的多维数据集，以揭示隐藏的表型模式和构效关系。这一进展有望揭示对纳米材料-细胞相互作用的先前未认识到的见解，并提供比常规生物化学测定更敏感的细胞反应读出。在此，本文中，我们描述了我们阐明纳米材料-细胞相互作用的贡献，以及我们在开发细胞形态测量方法以定量探究这些相互作用方面的最新努力。我们首先强调了使用无标记和标记显微技术可视化纳米材料-细胞相互作用并获取关键机制见解的应用。接着，我们讨论了细胞形态定量评估的重要性以及计算方法在定量形态特征提取和分析方面的最新进展。特别是，我们强调了集成AI驱动框架（包括基于机器学习的图像分割和分类算法）以提高细胞形态测量分析的准确性、可扩展性和可解释性。本文最后概述了当前挑战，并讨论了推动细胞形态测量作为探究纳米材料-细胞相互作用强大平台的发展机遇。

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Machine learning

Microscopy

Morphology

Nanomaterials

Nanoparticles

Cellular Morphometry for Interrogating Nanomaterial–Cell Interactions

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