酿酒酵母单细胞形态参数精准提取算法的研究∗

刘 可王颖瀛耿杨烨肖 秦朱 真∗

(1.东南大学电子科学与工程学院，江苏 南京210096；2.东南大学微电子学院，江苏南京210096)

细胞衰老是一个复杂的生理过程，伴随着细胞生理结构和功能的逐渐丧失。酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)作为常用的模式细胞，具有繁殖快、寿命短、培养成本低等优点。此外，酿酒酵母细胞与哺乳动物细胞、人类具有相似的保守生化机制，其存活率曲线与人类寿命类似[1]，常被用于生命体衰老机制的研究[2]。酿酒酵母的复制寿命(Replicative lifespan，RLS)是酵母细胞衰老研究的主要指标，定义为一个酵母细胞从新生到死亡过程中产生子代细胞的个数[3]。研究表明，在酵母细胞的生长、增殖、衰老过程中，细胞的截面面积、体积等形态参数变化用于表征细胞生长速率，并且与细胞周期调控和细胞复制寿命紧密相关[4]，但相关机理尚未被完全揭示。因此，需要进一步研究细胞表型特征参数及其在细胞完整生命周期内的动态变化。微流控芯片利用微结构捕获并固定酵母单细胞，并通过流体剪切力实现子细胞的高效去除[2]，是酵母细胞复制衰老研究的重要平台。在酵母细胞实验中，实验者可以借助微流控芯片捕获、固定、培养酵母母细胞、并去除子代细胞、对细胞进行时序显微成像。酿酒酵母细胞平均复制寿命为20代~30代[5]，每代持续时间大约为90 min，若以10 min为时序成像时间间隔，单个酵母细胞完整生命周期的时序监测将产生数百帧显微图像。对于具有多个单细胞捕获结构及成像位点的高通量阵列式微流控细胞培养芯片，单次实验需分析上万帧图像，因此急需提出一种精确高效、自动化的细胞图像处理算法，以提取酵母细胞的形态参数。……