Molecular Probes Tutorial Series—Introduction to Flow Cytometry

Bref Résumé

Cette vidéo explique le fonctionnement de la cytométrie en flux, une technique puissante pour analyser les cellules. Elle aborde les principes de base, comment la lumière diffusée et la fluorescence sont détectées, et comment les données sont analysées. Les points clés incluent :

  • Le système fluidique, les lasers, l'optique et les détecteurs sont les composants principaux d'un cytomètre de flux.
  • La diffusion de la lumière (avant et latérale) fournit des informations sur la taille et la complexité interne des cellules.
  • La fluorescence, souvent utilisée avec des anticorps marqués, permet d'identifier des molécules spécifiques sur ou dans les cellules.
  • Les filtres sont essentiels pour collecter des données de fluorescence discrètes.
  • Un seuil est utilisé pour exclure les petites particules et les débris de l'analyse.

Introduction à la Cytométrie en Flux

La cytométrie en flux est une technique d'analyse multiparamétrique de cellules individuelles au sein de populations hétérogènes. Elle est utilisée dans divers domaines, de l'immunophénotypage à l'analyse de l'expression de la GFP. Le cytomètre de flux analyse des milliers de cellules par seconde en les faisant passer à travers un faisceau laser et en capturant la lumière émise. Les données recueillies sont ensuite analysées statistiquement pour déterminer la taille, la complexité, le phénotype et l'état des cellules.

Composants Principaux d'un Cytomètre en Flux

Les principaux systèmes d'un cytomètre de flux comprennent le système fluidique, les lasers, l'optique, les détecteurs et le système informatique. Le système fluidique achemine les échantillons vers le point d'interrogation, où le laser et l'échantillon se croisent. L'optique collecte la lumière diffusée et la fluorescence résultantes. Les détecteurs reçoivent la lumière et le système informatique convertit les signaux en données numériques pour l'analyse.

Transport de l'Échantillon et Focalisation Hydrodynamique

Pour une collecte de données précise, les cellules doivent passer à travers le faisceau laser une à la fois. La plupart des cytomètres de flux réalisent cela en injectant le flux d'échantillon dans un flux de gaine de fluide ou de solution saline. Cela comprime le flux d'échantillon à environ une cellule de diamètre, un processus appelé focalisation hydrodynamique. Les cytomètres de flux peuvent généralement traiter des cellules dont la taille varie sur environ trois ordres de grandeur, la plupart des cellules détectées ayant un diamètre compris entre 1 et 15 microns.

Diffusion de la Lumière : Diffusion Avant (Forward Scatter)

Lorsqu'une cellule traverse le laser, elle réfracte ou diffuse la lumière dans toutes les directions. La diffusion avant (forward scatter), ou diffusion de la lumière à faible angle, est la quantité de lumière diffusée dans la direction avant lorsque le laser frappe la cellule. L'amplitude de la diffusion avant est approximativement proportionnelle à la taille de la cellule. Une barre d'obscuration est placée devant le détecteur de diffusion avant pour bloquer la lumière laser intense. La lumière diffusée autour de la barre d'obscuration est collectée par le détecteur et traduite en une impulsion de tension, dont l'amplitude est proportionnelle à la taille de la cellule.

Diffusion de la Lumière : Diffusion Latérale (Side Scatter)

La lumière diffusée à des angles plus importants, par exemple sur le côté, est causée par la granularité et la complexité structurelle à l'intérieur de la cellule. Cette lumière diffusée latéralement est focalisée à travers un système de lentilles et collectée par un détecteur séparé, généralement situé à 90 degrés du trajet du laser. Les signaux collectés par le détecteur de diffusion latérale peuvent être représentés sur des histogrammes unidimensionnels.

Graphiques de Dispersion Bidimensionnels (Scatter Plots)

Les histogrammes unidimensionnels ne montrent pas nécessairement la complexité des populations cellulaires. Les graphiques de dispersion bidimensionnels (scatter plots) permettent de visualiser les données dans une deuxième dimension. En utilisant les données de diffusion avant et latérale, on peut distinguer différentes populations de cellules sanguines périphériques, telles que les lymphocytes, les monocytes et les granulocytes neutrophiles.

Détection de la Fluorescence

La fluorescence est l'émission de lumière par une fluorophore après excitation à un niveau d'énergie supérieur. En cytométrie en flux, des anticorps marqués avec des fluorophores sont souvent utilisés pour étudier les caractéristiques cellulaires. L'anticorps se lie à une molécule spécifique sur la surface ou à l'intérieur de la cellule. Lorsque la lumière laser de la bonne longueur d'onde frappe le fluorophore, un signal fluorescent est émis et détecté par le cytomètre de flux.

Collecte des Données de Fluorescence

La lumière fluorescente émise par les cellules suit le même chemin que le signal de diffusion latérale. Elle est dirigée à travers une série de filtres et de miroirs pour que des plages de longueurs d'onde particulières soient acheminées vers les détecteurs appropriés. La lumière fluorescente est traduite en une impulsion de tension proportionnelle à la quantité de fluorescence émise.

Expériences Bicolores et Spectres de Fluorescence

Pour les expériences bicolores, il est important de choisir des fluorophores compatibles, tels que l'Alexa Fluor 488 et la phycoérythrine (PE). Ces fluorophores peuvent être excités efficacement avec une lumière de 488 nanomètres, et leurs pics d'émission sont suffisamment éloignés pour permettre la collecte de données discrètes. Des filtres spécifiques, tels qu'un filtre passe-bande de 530 nanomètres pour l'Alexa Fluor 488 et un filtre passe-bande de 585 nanomètres pour la PE, sont utilisés pour capturer les pics de fluorescence de chaque molécule.

Nomenclature des Filtres

Les filtres sont définis par leur point central (pour les filtres passe-bande) ou leur point de coupure (pour les filtres passe-long ou passe-court). Par exemple, un filtre passe-bande typique pour la PE a un point central de 585 nm et une largeur de 42 nm, ce qui permet de faire passer de manière optimale la lumière dans la plage de longueurs d'onde de 564 à 606 nm, correspondant au pic d'émission de la PE.

Utilisation d'un Seuil (Threshold)

Un seuil est utilisé pour empêcher la collecte de données dominées par des informations provenant d'un grand nombre de petites particules, telles que les plaquettes et les débris. Un seuil est défini de sorte qu'une certaine taille d'impulsion de diffusion avant doit être dépassée pour que l'instrument collecte les données. Cela permet de s'assurer que la majorité des événements collectés par le cytomètre sont les cellules d'intérêt.

Conclusion

La cytométrie en flux est un outil unique qui permet aux scientifiques de recueillir des données statistiques sur un grand nombre de cellules et d'utiliser ces informations pour corréler plusieurs paramètres au sein d'une population cellulaire. Les expériences à quatre à six couleurs sont de plus en plus faciles, et certains laboratoires peuvent distinguer jusqu'à 18 couleurs simultanément. Le prochain tutoriel abordera les aspects plus complexes de l'analyse des données en cytométrie en flux.

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0:03 Flowcytometry is a powerful technique for the analysis of multiple parameters of individual cells within heterogeneous populations. Flowcytometers are used in a range of applications from imuno phenotyping to ployy analysis to cell counting and GFP expression analysis. The flowcytometer performs this analysis by passing thousands of cells per second through a laser beam and capturing the light that emerges from each cell as it passes through. The data gathered can be analyzed statistically by flowcytometry software to report cellular characteristics such as size, complexity, phenotype and health. In this tutorial, we will look at how a flowcytometer works, how scattered light and fluoresence are detected by a

0:49 flowcytometer and how the resulting data can be analyzed. This view shows the primary systems of the flowcytometer schematically. These are the fluidic system which presents samples to the interrogation point and takes away the waste. The lasers which are the light source for scatter and fluoresence. The optics which gather and direct the light, the detectors which receive the light and the electronics and the peripheral computer system which convert the signals from the detectors into digital data and perform the necessary analyses. The interrogation point is the heart of the system. This is where the laser and the sample intersect and the optics collect the resulting scatter and

1:35 fluoresence. First, let's talk about how the sample is delivered to the laser. Here we see how the sample is transported through the interrogation point. For accurate data collection, it is important that particles or cells are passed through the laser beam one at a time. Most flowcytometers accomplish this by injecting the sample stream containing the cells into a flowing stream of sheath fluid or saline solution. As you can see, the sample stream becomes compressed to roughly one cell in diameter. This is called hydrodnamic focusing. In fact, flowcytometers can accommodate cells that span roughly 3 orders of magnitude in size. In most cases, seytometers will be detecting cells between 1 and 15

2:21 microns in diameter. Although through the use of specialized systems, it is possible to detect particles outside this range. Now let's see how laser light is used to detect individual cells in the stream. As a cell passes through the laser, it will refract or scatter light at all angles. Forward scatter or low angle light scatter is the amount of light that's scattered in the forward direction as laser light strikes the cell. The magnitude of forward scatter is roughly proportional to the size of the cell. And this data can be used to quantify that parameter. But how can we record this scattered light? Light is quantified by a detector that converts intensity into voltage. In most cytometers, a blocking bar called an

3:07 obscuration bar is placed in front of the forward scatter detector. The obscuration bar prevents any of the intense laser light from reaching the detector. As a cell crosses the laser, light is scattered around the obscuration bar and is collected by the detector. The scattered light received by the detector is translated into a voltage pulse. Because small cells produce a small amount of forward scatter and large cells produce a large amount of forward scatter, the magnitude of the voltage pulse recorded for each cell is proportional to the cell size. If we plot a histogram of these data, smaller cells appear toward the left and larger cells appear toward the right.

3:53 A histogram of forward scatter data is a graphical representation of the size distribution within the population. But such a graph only presents one-dimensional data. Next, let's look at side scatter. As we have already seen, a cell traveling through the laser beam will scatter light at all angles. Light scattering at larger angles, for example, to the side, is caused by granularity and structural complexity inside the cell. This side scattered light is focused through a lens system and is collected by a separate detector, usually located 90° from the laser's path. The signals collected by the side scatter detector can be plotted on one-dimensional histograms like we saw for forward scatter.

4:40 The one-dimensional histograms we have seen so far do not necessarily show the complexity of the cell populations. For example, what appears to be a single population in the forward scatter histogram is in reality multiple populations that can only be discerned by looking at the data in a second dimension. This is done through the use of two-dimensional dot or scatter plots. You can see that the peaks from the forward and side scatter histograms correlate with the colored dots in the scatter plot. Now we can view the results obtained when we create a scatter plot using forward and side scatter data from a typical peripheral blood cell run. The populations that emerge include lymphosytes which are small cells possessing low internal

5:25 complexity, monocytes, which are medium-sized cells with slightly more internal complexity, and neutrfils and other granular sites, which are large cells that have a lot of internal complexity. This multiparametric analysis is the real power of flowcytometry. Now, let's take a look at another parameter that can tell us more about cell structure and function. Fluoresence. As a brief review, fluoresence is a term used to describe the excitation of a flororahore to a higher energy level followed by the return of that flororahore to its ground state with the emission of light. The energy in the emitted light is dependent on the energy level to which the floror is excited and that light has a specific wavelength and consequently a specific

6:10 color. One of the most common ways to study cellular characteristics using flowcytometry involves the use of fluorescent molecules such as flororahor labeled antibodies. In these experiments, the labeled antibbody is added to the cell sample. The antibbody then binds to a specific molecule on the cell surface or inside the cell. Finally, when laser light of the right wavelength strikes the flororohor, a fluorescent signal is emitted and detected by the flowcytometer. How is this fluorescent information collected? The fluorescent light coming from labeled cells as they pass through the laser travels along the same path as the side scatter signal. As the light travels along this path, it is directed through a series of filters and mirrors

6:56 so that particular wavelength ranges are delivered to the appropriate detectors. Fluoresence data is collected in generally the same way as forward and side scatter data. In a population of labeled cells, some will be brighter than others. As each cell crosses the path of the laser, a fluorescent signal is generated. The fluorescent light is then directed to the appropriate detector where it is translated into a voltage pulse proportional to the amount of fluoresence emitted. All of the voltage pulses are recorded and can be presented graphically. What if we want to do a twocolor experiment? We need to look at the spectra of the two flororahores to see if they are compatible. Alexa 4 488 and ficoythine or RP are commonly used

7:44 together. For these two flororophores, 488 nanome light is an efficient excitation source. When excited with 488 nanome light, you can see that the emission peaks for these two dyes are far enough apart so that discrete emission data can be collected. Compatible dyes such as these allow scientists to easily detect two colors from a single laser. If we analyze data from the two-color experiment using a scatter plot, four distinct populations emerge. Looking at the dot plot in terms of quadrants, cells with only bright orange fluorescent appear in the upper left quadrant. Cells with only green fluorescents appear in the lower right quadrant. Cells with both bright green

8:30 and bright orange fluorescents appear in the upper right quadrant. And finally, cells with both low green and low orange fluorescent appear in the lower left quadrant. Multiple fluoresence parameters are necessary to dissect complex biological systems. How does the flowcytometer collect discrete fluoresence data for the Alexa floor 488 and RP flororahores? filters are available that can capture the peak fluoresence from each of these molecules. A 530 nanometer bandp pass filter will collect most of the alexafl 488 peak and a 585 nanome band pass filter will collect the bulk of the RP peak. Using these filters, the proportional amounts of alexafl 488 and

9:18 rp fluoresence can be recorded for each cell. You can see that portions of each emission peak overlap one another. This is called spectral overlap and we will talk about how to deal with this in the next tutorial. Let's take a moment to talk about filter nomenclature. Filters are normally defined by one of two parameters. Either the center point for a band pass filter or the cutff point for a long or short pass filter. This is a typical band pass filter specific for RP. It has a center point of 585 nm and a width of 42 nm. So this filter optimally passes light in the wavelength range of 564 to 66 nm which corresponds to the emission peak of RP. Other

10:04 filters used to resolve this peak include a 550 nanome long pass filter and a 610 nm short pass filter. One final important point regarding data collection is the use of a threshold. If every single particle passing through the laser caused the instrument to collect data, the data pool would be dominated by information coming from a very large number of minute particles like platelets and debris. To prevent this, a threshold is set such that a certain forward scatter pulse size must be exceeded for the instrument to collect the data. On the histogram, the blank area represents the small cells and debris that are excluded from analysis by the threshold. This means that the majority of events that the

10:49 seytometer collects are the cells of interest. It is important to realize that the small particles are still passing through the instrument. They are just being ignored. We've come to the end of this tutorial. Our journey began with a look at the systems that make up the flowcytometer and how those systems work together to collect information on cells as they pass through a laser. We went on to examine in more detail how seytometers detect light scatter and fluoresence and how that information can be viewed on various plots. In summary, flowcytometry is a unique tool providing scientists with a way to gather statistical data on large numbers of cells and use that information to correlate multiple parameters within a cell population. Four to six color

11:36 experiments are becoming easier. A few labs in the world are able to distinguish up to 18 colors simultaneously. In the next tutorial, we will talk in more detail about some of the trickier aspects of data analysis that are employed in flows. [Music]

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