DE3712862C2 - Einrichtung und Verfahren zur Diskriminierung von Teilchen - Google Patents
Einrichtung und Verfahren zur Diskriminierung von TeilchenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Diskriminierung
von Teilchen mittels Lichtstreuung und stellt insbesondere
ein Verfahren und ein Flußzytometergerät zur Diskriminierung
von Teilchen auf der Grundlage unterschiedlicher Licht
streuungs-Depolarisationseffekte, zur Verfügung
Zum Stand der Technik werden folgende Druckschriften
angegeben:
Benson, M.C., et al., Cytometry, 5: 515-522 (1984).
Hoffman, R.A., et al., Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 77: 4914-4917 (1980)
Hulst van de, H.D., Light Scattering by Small Particles, Dover Publications, Inc., New York, 1981.
Julius, M.H., et al., in Mammalian Cells: Probes and Problems (Richmond, C.R., et al., eds.), ERDA Symposium Series CONF-731007, Technical Information Center, Oak Ridge, Tennessee, 1975, p. 107-121.
Loken, M.R., et al., Ann. N.Y. Acad. Sci., 254: 163-171 (1975).
Marston, P.L., J. Opt. Soc. Am. 73: 1816-1818 (1983).
Mullaney, P.F., et al., Biophys. J. 10: 764-772 (1970).
Salzman, G.C., et al., Acto. Cytol. 19: 374-377 (1975).
Terstappen, L.W.M.M., et al., Cytometry, 7: 178-183 (1986).
Terstappen, L.W.M.M., et al., J. Immunol. Methods, 95: 211-216 (1986).
Terstappen, L.W.M.M., et al., Cytometry, 6: 316-320 (1985).
Visser, J.W., et al., Blood Cells, 6: 391-407 (1980).
Weil, G.J., et al., Blood, 57: 1099-1104 (1981).
Benson, M.C., et al., Cytometry, 5: 515-522 (1984).
Hoffman, R.A., et al., Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 77: 4914-4917 (1980)
Hulst van de, H.D., Light Scattering by Small Particles, Dover Publications, Inc., New York, 1981.
Julius, M.H., et al., in Mammalian Cells: Probes and Problems (Richmond, C.R., et al., eds.), ERDA Symposium Series CONF-731007, Technical Information Center, Oak Ridge, Tennessee, 1975, p. 107-121.
Loken, M.R., et al., Ann. N.Y. Acad. Sci., 254: 163-171 (1975).
Marston, P.L., J. Opt. Soc. Am. 73: 1816-1818 (1983).
Mullaney, P.F., et al., Biophys. J. 10: 764-772 (1970).
Salzman, G.C., et al., Acto. Cytol. 19: 374-377 (1975).
Terstappen, L.W.M.M., et al., Cytometry, 7: 178-183 (1986).
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Visser, J.W., et al., Blood Cells, 6: 391-407 (1980).
Weil, G.J., et al., Blood, 57: 1099-1104 (1981).
Verfahren zur Diskriminierung von Teilchen sind für unter
schiedliche klinische Tests nützlich, beispielsweise
zur Bestimmung der Anzahl und des Typs von Zellen in
einer Blutprobe, zum Nachweis bakterieller oder viraler
Teilchen in einer Probe von Körperflüssigkeiten, und
zur Untersuchung von Zellenvolumina und -dichte, beispiels
weise bei der Zählung von Spermien. Der Nachweis nicht
zellularer Teilchen, beispielsweise Harnsäurekristallen
in einer Urinprobe, ist ebenfalls in bestimmten klinischen
Untersuchungen von Wert. Die Analyse von Kristallen und
anderer Teilchen, die in Fluiden in Suspension vorliegen,
ist ebenfalls für industrielle Anwendungen von Bedeutung.
Ein Verfahren, mit dem eine schnelle und wirksame Diskriminierung
von Teilchen in einer Probe einer Suspension der Teilchen
vorgenommen werden kann, ist die Flußzytometrie. Bei
diesem Verfahren wird eine Suspension von Teilchen, typischer
weise Zellen in einer Blutprobe, durch eine Flußkammer
transportiert, in der die einzelnen Teilchen der Probe
mit einem oder mehreren fokussierten Lichtstrahlen be
leuchtet werden. Die Wechselwirkung des Lichtstrahls
beziehungsweise der Lichtstrahlen mit den einzelnen durch
die Kammer fließenden Teilchen wird durch eine oder mehrere
Lichtdetektoren nachgewiesen. Üblicherweise sind die
Detektoren zur Messung der Lichtabsorption oder Fluoreszenz
emission, bei bestimmten Wellenlängen des Strahls oder
der Emission, und/oder der Lichtstreuung in bestimmten
Streuwinkeln ausgelegt. Daher kann jedes Teilchen, das
durch die Flußkammer gelangt, bezüglich eines oder mehrerer
Merkmale bezüglich seiner Absorption, Fluoreszenz, Licht
streuung oder anderer optischer oder elektrischer Eigen
schaften charakterisiert werden. Die eine Eigenschaft
beziehungsweise mehrere Eigenschaften, die durch die
Detektoren gemessen werden, erlauben eine Abbildung jedes
Teilchens in einen Merkmalsraum, dessen Achsen die Lichtin
tensitäten oder andere Eigenschaften sind, die durch
die Detektoren gemessen werden. Im Idealfalle werden
die unterschiedlichen Teilchen in der Probe in unterschiedliche
und nicht-überlappende Bereiche des Merkmalraums abge
bildet, wodurch jedes Teilchen auf der Grundlage seiner
Abbildung in den Merkmalsraum analysiert werden kann.
Eine derartige Analyse kann Zählen, Identifizieren, Quantifi
zieren (bezüglich einer oder mehrerer physikalischer
Eigenschaften) und/oder Sortieren der Teilchen umfassen.
Zwei allgemeine Arten von Lichtstreuexperimenten werden
routinemäßig bei der Flußzytometrie gemacht. Messungen
der Lichtintensität bei kleinen Winkeln (etwa 1,5°-13°,
bezogen auf den einfallenden Lichtstrahl) , üblicherweise
als Vorwärts oder Kleinwinkelstreuung bezeichnet, geben
Information über die Zellgröße (Mullaney). Die Vorwärts
streuung hängt ebenfalls stark von dem Unterschied in
der Brechung zwischen Zellen und dem extrazellularen
Medium ab, so daß beispielsweise Zellen mit beschädigten
Membranen unterschieden werden können. Lichtintensitätsmes
sungen bei einem Winkel von etwa 65° bis 115° in bezug
auf das einfallende Licht werden üblicherweise als orthogo
nale Lichtstreuung bezeichnet und diese stellt Information
über die Größe und den Grad der Strukturierung der Teilchen
zur Verfügung (Visser) . Beispielsweise haben die Erfinder
und Mitarbeiter gezeigt, daß menschliche zytotoxische
Lymphozyten offenbar unterschiedliche Struktureigenschaften
aufweisen als reguläre und B-Lymphozyten, basierend auf
den größeren orthogonalen Lichtstreuintensitäten der
zytotoxischen Zellen (Terstappen). Ist die Breite des
beleuchtenden Strahls kleiner als der Durchmesser der
Teilchen, so gibt die Impulsform des Lichts in orthogonalen
Streuwinkeln Information über die Länge und die Form
der Zellen.
Gleichzeitige Lichtstreumessungen bei verschiedenen Winkeln
oder in Kombination mit Absorptions- oder Fluoreszenz
messungen sind für Flußzytometrieverfahren vorgeschlagen
worden. Die gleichzeitige Messung der Vorwärts- und orthogonalen
Lichtstreuung kann verwendet werden, um zytotoxische
Lymphozyten von regulären und B-Lymphozyten zu unterscheiden,
wie voranstehend angegeben (Terstappen), und zur Unter
scheidung von Lymphozyten von anderen periphären Leukozyten
zellen (Hoffman). Die Absorption des Lichts in Verbindung
mit Lichtstreuung wird in der Flußzytometrie zur Unterschei
dung zwischen Erythrozyten und Thrombozyten, und zwischen
Lymphozyten, Monozyten, basophilen Granulozyten, eosi
nophilen Granulozyten, und neutrophilen Granulozyten
verwendet (Technicon Hemalo oder Hl-Systeme). Dieses Ver
fahren erfordert jedoch eine Anfärbung der Zellen und ist daher
verhältnismäßig komplex und kann dazu führen, daß die
Zellen nach der Sortierung der Zellen nicht weiter ver
wendet werden können.
Lichtstreumessungen in Verbindung mit zirkularem Dichroismus
(CD) und optischer Drehdispersion (ORD) gestatten ebenfalls
eine Diskriminierung von Teilchen in Suspensionen viraler
Teilchen und Zellen. Untersuchungen des Effekts der Mie-
(isotrope Teilchen-)streuung auf die CD- und ORD-Spektren
von DNA in viralen Teilchen
deuten an, daß Streumessungen zur Korrektur von ORD-
und CD-Messungen in größeren biologischen Strukturen,
beispielsweise Virusteilchen und -zellen, verwendet werden
können, um eine Teilchendiskriminierung auf der Grundlage
charakteristischer ORD- und CD-Eigenschaften zu gestatten.
Differentielle Streuung rechts- und linkszirkular polarisierten
Lichts ist zur Diskriminierung einer Anzahl unterschiedlicher
Mikroorganismen gezeigt worden (Salzman). Das CIDS-Verfahren
(circular intensity differential scattering) arbeitet wie
CD, welches die differentielle Absorption links- und
rechtszirkular polarisierten Lichts ausnutzt, nutzt jedoch
die differentielle Streuung durch helixartige Strukturen,
beispielsweise DNA, von rechts- und linkszirkular polari
siertem Licht aus.
Aus der DE 35 31 969 A1 ist ein Verfahren zur Erfassung und
Klassifizierung von Teilchen bekannt, bei dem eine Teilchensus
pension, die unterschiedliche Teilchenarten enthält, durch eine
optische Sensorzone geleitet wird, wo die Teilchen mit einem
einfallenden Laserstrahl beleuchtet werden, wodurch von jedem
Teilchen Streulicht erzeugt wird. Die Intensität des Streulichts
wird in ausgewählten Winkeln gemessen. Da die Intensitätsvertei
lungen des gemessenen Streulichts charakteristisch für eine der
Teilchenarten ist und nicht mit der Intensitätsverteilung der
anderen Teilchenarten überlappt, können so die verschiedenen
Teilchenarten analysiert werden. Neben diesem Verfahren zeigt
die DE 35 31 969 A1 auch eine Einrichtung zum Analysieren zumin
dest zweier unterschiedlicher Teilchenarten, die eine optische
Sensorzone, eine Vorrichtung zum Durchleiten einer Teilchensus
pension durch die Zone, einen Laser zur Beleuchtung der sich in
der Sensorzone befindenden Teilchen, einen Detektor zur Messung
des von den Teilchen erzeugten Streulichts in einem ausgewählten
Winkel, und eine Analyseeinrichtung zur Analyse der unterschied
lichen Teilchenarten aufweist.
Die EP 0 135 984 A2 offenbart ein Verfahren zur Analyse unter
schiedlicher Teilchenarten, bei dem ein Teilchenstrom durch eine
optische Sensorzone geleitet und dort mit Laserlicht beleuchtet
wird, wodurch Streulicht von jedem Teilchen erzeugt wird. Die
für jede Teilchenart typische Verteilung des Streulichts wird
unter ausgewählten Winkeln gemessen und die Teilchen werden auf
der Basis der gemessenen Streulichtintensitäten in einem durch
eine mathematische Transformation definierten Diskriminierungs
raum analysiert. Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Ein
richtung verwendet, die eine Analyseeinrichtung aufweist, welche
auf der Basis von Streulichtmeßdaten, die unter zwei ausgewähl
ten Winkeln erfaßt wurden, die Analyse der Teilchen durchführt.
Aus der US 4 325 706 ist ein Verfahren zur Analyse unterschied
licher Teilchenarten im Blut bekannt, bei dem ebenfalls eine
Teilchensuspension in einem Kanal durch eine optische Sensorzone
geleitet und dort mit einem Strahl kohärenten Laserlichts be
leuchtet wird. Die Intensität des daraufhin durch die Teilchen
erzeugten Streulichts wird in einem ausgewählten Winkel gemes
sen, so daß die verschiedenen Teilchenarten auf der Basis der
gemessenen Streulichtintensitäten analysiert werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Lichtstreu
verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Arten von Teil
chen erweitert, welche in einem Flußzytometersystem unterschie
den werden können.
In vorteilhafter Weise stellt die Erfindung ein derartiges Ver
fahren zur Unterscheidung von Teilchen zur Verfügung auf der
Grundlage von Depolarisationsstrukturen, die charakteristisch
für die unterschiedlichen Arten von Teilchen sind.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Verfahren zur Unter
scheidung unterschiedlicher Arten von Granulozytenzellen
zur Verfügung gestellt.
Weiterhin stellt die Erfindung in vorteilhafter Weise
ein Gerät zur Diskriminierung von Teilchen auf der Grund
lage differentieller Depolarisationslichtstreuung von
Teilchen zur Verfügung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist so ausgelegt, daß
zwei oder mehr unterschiedliche Teilchenarten auf der
Grundlage unterschiedlicher Depolarisationsstrukturcharak
teristiken der Teilchenarten diskriminiert werden können.
Zur Ausübung des Verfahrens wird eine Suspension von
Teilchen, die die unterschiedlichen Teilchenarten erhält,
durch eine optische Sensorzone geführt und die Teilchen
in der Zone werden mit einem einfallenden Strahl linear
polarisierten Lichts beleuchtet. Jedes beleuchtete, durch
die Zone gelangendes Teilchen erzeugt depolarisiertes
Streulicht, dessen Intensität bei einem auswählbaren
Streuwinkel von der Depolarisationsstruktur des Teilchens
abhängt. Die Intensität des depolarisierten Streulichts
im ausgewählten Winkel liegt, innerhalb eines Intensitätsver
teilungsbereichs, in einem geeigneten Diskriminierungsraum
welcher a) charakteristisch für eine der Teilchenarten
ist und b) im wesentlichen nicht mit der Intensitätsverteilung
einer anderen Teilchenart oder anderer Teilchenarten
in der Suspension überlappt. Die gemessene Intensität
depolarisierten Streulichts im ausgewählten Winkel gestattet
wenn sie im Diskriminierungsraum ausgewertet wird, die
Diskriminierung der unterschiedlichen Teilchenarten in
der Suspension. Allgemeiner gesprochen gestattet das
Verfahren eine Analyse unterschiedlicher Teilchenarten,
einschließlich Zählen, Diskriminieren, Quantifizieren
physikalischer Eigenarten und/oder Sortieren der unterschied
lichen Teilchenarten.
Falls die Teilchen auf der Grundlage der Depolarisation
allein analysiert (beispielsweise unterschieden) werden
können, kann der Merkmalsraum ein eindimensionaler Raum
sein, der durch die Intensität des depolarisierten Lichts
festgelegt ist, welches von den beleuchteten Teilchen
gestreut wird, in dem ausgewählten Winkel. Im allgemeinen
werden die Teilchen auf der Grundlage der Depolarisationsin
tensität und zumindest einer anderen optischen oder elektrischen
Antworteigenschaft analysiert, beispielsweise totale
Lichtstreuung, Absorption, Fluoreszenz, CD oder ORD,
deren mittlere Antwortwerte sich für die unterschiedlichen
Teilchenarten unterscheiden. Hier ist der Diskriminierungs
raum ein inkrementales Element, welches in einer Dimension
durch Depolarisationsstreuintensität festgelegt wird,
und in zumindest einer anderen Dimension durch eine inkremen
tale Änderung eines anderen Parameters der Teilchenmessung,
wie noch im einzelnen nachstehend erklärt wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Verfahren
zur Analyse, insbesondere zur Unterscheidung, granulytischer
Eosinophile und Neutrophile verwendet. Die Zelldiskriminierung
wird in einem zweidimensionalen Merkmalsraum durchgeführt,
welcher in einer Dimension durch orthogonale depolarisierte
Lichtstreuung festgelegt ist und in einer zweiten Dimension
durch das totale orthogonale Streulicht.
Die Erfindung umfaßt weiter eine Einrichtung zur Analyse
zumindest zweier unterschiedlicher Teilchenarten auf
der Grundlage unterschiedlicher Depolarisationsstruktur
eigenschaften der verschiedenen Teilchenarten. Innerhalb
einer Flußzelle in dem System wird eine optische Abtastzone
festgelegt, in welcher in Suspension befindliche Teilchen
durch einen polarisierten Lichtstrahl beleuchtet werden.
Die Intensität depolarisierten Streulichts der Teilchen
wird durch einen Detektor in einem ausgewählten Winkel
gemessen, wodurch, in einem geeigneten Merkmalsraum,
eine Teilchendiskriminierung auf der Grundlage unterschied
licher Depolarisationsstruktur ermöglicht wird. Die Einrichtung
umfaßt einen Analysator zur Aufzeichnung gemessener Zellen
parameter und zur Analyse von Teilchen auf der Grundlage
depolarisierter Streuintensität in einem geeigneten Diskrimi
nierungsraum.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter
Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, aus
welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Flußzytometer-Lichtstreugeräts;
Fig. 2 einen durch depolarisierte Lichtstreuintensität
festgelegten eindimensionalen Merkmalsraum und
nicht überlappende Intensitätsverteilungen zweier
unterschiedlicher Teilchen;
Fig. 3 einen zweidimensionalen Merkmalsraum, welcher
entlang einer vertikalen Achse Depolarisations
intensitäten darstellt, die für zwei unterschiedliche
Teilchen gemessen wurden, und entlang einer horizontalen
Achse totale Lichtstreuintensitäten;
Fig. 4 einen dreidimensionalen Merkmalsraum, welcher
durch depolarisiertes Streulicht in einer Dimension,
totales Streulicht in einer zweiten Dimension
und absorbiertes Licht in der dritten Dimension
festgelegt wird;
Fig. 5 ein Flußdiagramm eines gemäß der Erfindung zur
Analyse von Teilchenarten verwendeten Algorithmus;
Fig. 6 eine Erläuterung orthogonaler Lichtstreuung von
einem einzelnen Punkt im Ursprung O in der Figur,
bei welcher die Ausbreitung von Streulicht durch
Polarkoordinaten r, Θ und Φ geschrieben wird;
Fig. 7 einen einfallenden Lichtstrahl, der an zwei intrazellu
laren Teilchen reflektiert wird und einen gestreuten
Strahl ergibt, welcher sich entlang der negativen
y-Achse ausbreitet und vollständig in z-Richtung
polarisiert ist;
Fig. 8 eine Darstellung des Depolarisationsverhältnisses
D(Δo)/D(15°), wobei D=(Ir/(Ir + Il)) ist, gemessen
als eine Funktion des Akzeptanzwinkels ΔΦ für
Neutrophile (⚫) , Eosinophile (x), Lymphozyten
(o) Monozyten () und Mikrokugeln mit einem Durchmesser
von 1,16 µm (Δ), wobei die gestrichelte Linie
die theoretische Kurve für ideale Kugeln darstellt;
Fig. 9A bis 9C Darstellungen der flußzytometrischen
Dichte totaler orthogonaler Lichtstreuung gegen
depolarisierte orthogonale Lichtstreuung unter
schiedlicher menschlicher Blutzellen.
Ein zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung ausge
bildetes Zytometergerät ist in Fig. 1 gezeigt und mit
der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Ein Flußzytometer 12
in dem Gerät ist zur Messung der Depolarisationslichtstreuung
von Probenteilchen ausgebildet, wie im einzelnen im Teil
A dargestellt ist. Ein Analysator 14 in dem Gerät dient
zur Analyse der Teilchen in der Probe auf der Grundlage
einer oder mehrerer optischer Messungen, einschließlich
Depolarisationsstreuung, wie in Teil B beschrieben ist.
Wie dort erläutert ist kann die Analyse von Teilchen
gemäß des Verfahrens das Zählen von Teilchen, Diskriminieren,
Quantifizieren (physikalische Parameter), und/oder Sortieren
umfassen.
Die grundlegende Hardware des Flußzytometers stellen
eine Flußkammer 16 dar, durch welche Teilchen in einer
Suspensionsprobe geschickt werden, eine Lichtquelle 18
zur Beleuchtung von sich durch die Flußzelle bewegenden
Teilchen, und Fotodetektoren, beispielsweise Detektoren
20, 22 und 24 zur Messung optischer Antwortparameter
der beleuchteten Zellen.
Die Lichtquelle 18 ist zur Beleuchtung der Teilchen in
der Flußkammer mit einem fokussierten, linear polarisierten
Lichtstrahl ausgebildet. Der Lichtstrahl, in der Figur
durch die Bezugsziffer 26 gekennzeichnet, ist ein von
einem konventionellen Laser 28 erzeugter Strahl kohärenten
Lichts. Ein 3 Watt Argonionenlaser,
abgestimmt auf 448 nm, oder ein 5 mW Helium-
Neon-Laser sind hierfür geeignet. Der von dem Laser ausgehende Licht
strahl wird auf den Strom der Zellen in der Flußzelle
durch eine Linse 30 fokussiert, welche beim voranstehend
angegebenen Argonlaser zwei zylindrische Linsen mit Brenn
weiten von 200 und 20 mm umfaßt und im Falle des Helium-
Neon-Lasers eine einzelne Kugellinse mit einer Brennweite
von 70 mm ist. Wenngleich eine Quelle kohärenten Lichts
(Laser) dargestellt ist, kann die Lichtquelle alternativ
eine konventionelle Bogenlampe (inkohärent) sein, deren
Strahl durch die Linse 30 fokussiert wird.
Der Lichtstrahl kann linear mittels eines im Handel erhältlichen
Polarisationsfilters 32 polarisiert sein.
Alternativ hierzu kann der Laser 28 so ausgelegt sein,
daß er einen linear polarisierten Lichtstrahl abgibt,
beispielsweise im Fall eines linear polarisierten Argonlasers.
Für die Zwecke dieser Darstellung wird eine Orientierung
des Polarisationsfilters angenommen, bei der linear polarisiertes
Licht erzeugt wird, dessen elektrischer Feldvektor E parallel
zur x-Achse in dem dargestellten x-y-z-Koordinatensystem
liegt und wobei der Lichtstrahl entlang der z-Achse gerichtet
ist und sich Teilchen durch die Flußzelle entlang der
x-Achse bewegen. Der polarisierte elektrische Feldvektor
ist daher zur Richtung des Teilchenflusses ausgerichtet.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß der Lichtstrahl
in einen Winkelbereich innerhalb der x-z-Ebene gerichtet
werden kann, typischerweise von etwa 10 bis 170 Grad
bezüglich der x-Achse, und daß der elektrische Feldvektor
in praktisch jeder Richtung in der x-y-Ebene polarisiert
sein kann.
Wenn dies auch nicht in dieser Darstellung gezeigt ist,
so kann doch das Zytometer 12 weitere Lichtquellen zur
Bestimmung einer Vielzahl optischer Parameter zusätzlich
zur Lichtstreuung umfassen, beispielsweise optische Absorption,
Fluoreszenz, CD und ORD, ebenso wie eine unpolarisierte
Lichtquelle oder eine in einer zweiten Richtung polarisierte
Lichtquelle für Lichtstreumessungen.
Die Flußkammer 16 kann eine konventionelle geschlossene
optische Zelle sein, beispielsweise eine Flußzelle aus
Quarz mit einem quadratischen Flußkanal mit Abmessungen
von 250 µm × 250 µm.
Die Kammer ist so angeordnet, daß in
einer flüssigen Suspension befindliche Teilchen über
ein Injektionsrohr 34 in eine optische Sensorzone 36
in der die Messung der Lichtstreuung durchgeführt wird,
und durch diese hindurch geführt werden.
Falls das Flußzytometer zum Sortieren von Zellen verwendet
werden soll, kann die Flußkammer eine "Strahl-in-Licht"-
("jet-in-air"-) artige Zelle sein, welche einen Strahl
von Suspensionströpfchen gerade stromabwärts der Abtastzone
erzeugt. Hierfür ist eine konventionelle Strahl-in-Luft-Zelle
geeignet, wie sie beim Sortieren von Zellen mittels Fluores
zenzanregung verwendet wird und im Handel erhältlich
ist. Alternativ hierzu
kann das Sortieren von Zellen mit einem Flußkanal erfolgen,
welcher einen Lochstein mit kleiner Öffnung zur Bildung
von Tröpfchen aufweist. Das Zytometer kann zusätzlich
eine Zellensortiervorrichtung 38 aufweisen, welche auf
konventionelle Art betrieben wird, um ausgewählte Teilchen
in ein Sammelrohr abzulenken, basierend auf den optischen
Parametern der in der Sensorzone gemessenen Teilchen.
Zusätzlich kann ein (nicht dargestellter) Abdeckstab
vor dem Objektiv zum Nachweis orthogonalen Lichts angeordnet
werden, um das von dem zylindrischen Stromfluß gestreute
Laserlicht abzuschirmen. Typischerweise schirmt der Stab
Licht in einem Winkel zwischen etwa 87° bis 93° bezüglich
des einfallenden Lichts ab. Mit einem derartigen Abschirmstab
wird der relative Beitrag der Kreuzdepolarisation (nachstehend
genauer erläutert) zur totalen Depolarisation vergrößert.
Das Flußsortiersystem mit Abdeckstab ist erfolgreich
bei auf Depolarisationsdiskriminierung beruhender Sortierung
von Zellen verwendet worden, wie nachstehend noch genauer
beschrieben wird.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß
das Zytometer zumindest einen optischen Detektor zum
Nachweis der Intensität depolarisierten Lichts aufweist,
welches durch die Teilchen der Sensorzone gestreut wird.
Hierbei soll unter "depolarisiertem Streulicht" ein Licht
verstanden werden, dessen elektrischer Feldvektor eine
signifikante Vektorkomponente in der zum elektrischen
Feldvektor des einfallenden Lichtstrahls normalen Ebene
aufweist. In der dargestellten Anordnung, in welcher
der Feldvektor des einfallenden Lichts entlang der x-Achse
gerichtet ist, normal bezüglich der y-z-Ebene, enthält
der Feldvektor des depolarisierten Streulichts eine signifi
kante Komponente in der y-z-Ebene.
Die in der Figur dargestellte Ausführungsform der Erfindung
ist so ausgebildet, daß orthogonales depolarisiertes
Licht gemessen werden kann, also depolarisiertes Licht,
welches in einen Winkel zwischen etwa 65° und 115° gestreut
wird, vorzugsweise etwa 90°, bezüglich der Richtung des
einfallenden Strahls, also entlang der y-Achse in Fig.
1 gestreutes Licht. Wie die Figur zeigt wird das totale
orthogonale Streulicht durch eine Linse 42 gesammelt,
welche den gestreuten Lichtstrahl kollimiert, wie durch
die Bezugsziffer 44 in der Figur verdeutlicht wird. Hierfür
ist ein konventionelles Mikroskopobjektiv geeignet.
Die dargestellte Ausführungsform ist ebenfalls zur Messung
des totalen orthogonalen Streulichts ausgebildet, welches
hier definiert ist als orthogonales Streulicht, welches
sowohl die polarisierten als auch die depolarisierten
elektrischen Feldvektoren aufweist, welche durch die
Teilchenstreuung des polarisierten einfallenden Lichts
erzeugt werden. Ein konventioneller Strahlteiler 46 im
optischen Weg spaltet den Strahl 44 in zwei mit 48 und
50 bezeichnete Strahlen auf, die jeder aus totalem orthogonalen
Streulicht bestehen. Der Strahl 48 wird durch einen Polarisa
tor 52 geleitet, welcher entlang der x-Achse polarisiertes
Streulicht ausfiltert und daher nur depolarisiertes Streulicht
durchläßt, also Streulicht mit einer Vektorkomponente in
der z-Richtung der Figur. Ein geeigneter Polarisator
ist ein im Handel erhältliches Polarisationsfilter HN 7.
Die Intensität des gefilterten Strahls wird durch einen
Detektor 20 gemessen, welcher vorzugsweise ein handelsüblicher
Fotomultiplier ist. Der Fotomultiplier
wird so eingestellt, daß er Licht aus einem Kegel um
die y-Achse sammelt, dessen Lichtsammelwinkel ΔΦ im Bereich
zwischen 3° bis 13° liegen kann, wie nachstehend noch
genauer erläutert wird. Der Kegel des vom Detektor gesammelten
Lichts kann durch eine (nicht dargestellte) Blende eingestellt
werden, welche vor der Linse 42 angeordnet ist. Der von
dem Detektor gemessene Spannungspegel ist Eingangsgröße
für den Analysator 14, dessen Betriebsweise im Teil B
beschrieben ist.
Die Intensität des Strahls 50, welcher aus totalem ortho
gonalen Streulicht besteht, wird durch einen Detektor
22 gemessen, welcher vorzugsweise ein Fotomultiplier
ist wie voranstehend beschrieben. Der Kegel des vom Detektor
22 gemessenen Lichts kann durch eine vor Linse 42 ange
ordnete Blende eingestellt werden, wie oben angegeben.
Das Spannungspegelsignal, welches von dem Detektor festge
stellt wird, wird an den Analysator 14 gegeben. Es ist
ersichtlich, daß andere Fotodetektoren, beispielsweise
Fotodiodendetektoren, für einen oder beide Detektoren
20, 22 Verwendung finden können, falls die Intensität
der orthogonalen Streulichtstrahlen ausreichend ist.
Das in der Figur dargestellte Zytometer ist ebenfalls
zur Messung der Intensität des totalen Vorwärtsstreulichts
ausgebildet, also des in einen Winkel innerhalb etwa
25° der Achse des einfallenden Lichts gestreute Licht,
vorzugsweise innerhalb eines Kegels, welcher auf der
Achse des einfallenden Lichts zentriert ist. Das Vorwärts
streulicht wird durch eine Linse 54 kollimiert. Die Inten
sität des Strahls wird durch einen Detektor 24 gemessen,
welcher vorzugsweise eine handelsübliche Fotodiode ist.
Der Kegel aufgefangenen Lichts, welcher durch eine (nicht dargestellte)
Blende eingestellt werden kann, welche vor der Linse
54 angeordnet ist, liegt typisch zwischen etwa 2° bis
17°. Das Ausgangssignal des Detektors 24 wird dem Analysator
14 zugeführt.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Minimalkonfiguration
für den Detektor, die zur Messung depolarisierten Streulichts
erforderlich ist, aus einem einzigen Fotodetektor besteht,
beispielsweise Detektor 20, und einem Polarisationsfilter,
welches nur depolarisieres Streulicht durchläßt. Weiterhin
wird, obwohl das dargestellte Zytometer zur Messung orthogonalen
depolarisierten Streulichts ausgebildet ist, darauf hinge
wiesen, daß der Detektor 20 an jedem Punkt auf der Halbku
gel angeordnet sein kann, welche durch die x-z-Ebene
in der Figur begrenzt wird, unter der Voraussetzung,
daß der Meßwinkel eine genügende Intensitätsdiskriminierung
zwischen den unterschiedlichen untersuchten Teilchenarten
bietet. Beispielsweise kann der Detektor in einem Winkel
zwischen etwa 90° bis 180° (zur Messung der Depolarisation
von rückgestreutem Licht) angeordnet werden, in der darge
stellten orthogonalen Position, oder am Ort des Detektors
24 (zur Messung der Depolarisation vorwärts gestreuten
Lichts).
Eine oder mehrere zusätzliche Detektoren, beispielsweise
die Detektoren 22 und 24, stellen zusätzliche Merkmals
information zur Verfügung, welche erforderlich sein kann,
um eine auf der Grundlage unterschiedlicher Intensitäts
verteilungen depolarisierten Streulichts basierende Diskrimi
nierung unterschiedlicher Teilchenarten durchzuführen,
wie nachstehend in Teil B erläutert wird. Wie bereits
erwähnt geben die Detektoren 22 und 24 in der Ausführungsform
der Erfindung, wie sie in der Figur dargestellt ist,
Informationen über totales Streulicht in orthogonaler
beziehungsweise Vorwärtsrichtung. Andere optische Detektoren,
zusätzlich zu den oder an Stelle der Detektoren 22, 24,
können Informationen über optische Parameter bezüglich
(a) der Intensität depolarisierten Streulichts in einem
zweiten Streuwinkel, (b) der Intensität depolarisierten
oder totalen Streulichts in einem unterschiedlichen Kegelwinkel
aufgefangenen Lichts, (c) Lichtabsorption, (d) Fluoreszenz
emission, und (e) ORD- und CD-Parameter geben. Das Zytometer
kann ebenfalls mit nichtoptischen Zellendetektoren aus
gerüstet sein, beispielsweise Coulter-Effekt-Detektoren,
zur Messung des Zellenvolumens über die Widerstands-
oder Kapazitätscharakteristik der Teilchen in der Flußkammer.
Der Analysator in dem Gerät zeichnet Informationen bezüglich
der Signalantwort des Detektors oder mehrerer Detektoren
auf und verarbeitet diese, um jedes Teilchen in der Suspension
bezüglich des Teilchentyps zu analysieren. Im wesentlichen
wird jeder zu untersuchende Teilchentyp zunächst bezüglich
seines Wertebereichs in jeder Dimension charakterisiert,
in einem ein- oder mehrdimensionalen Merkmalsraum. Zumindest
eine Dimension in dem Merkmalsraum ist der Bereich von
Intensitätswerten depolarisierten Streulichts, in einem
ausgewählten Streuwinkel, welches von jedem der zu unter
suchenden Teilchenarten erzeugt wird.
Im einfachsten Fall können die unterschiedlichen Teilchen
in der Suspension allein auf der Grundlage der Depolari
sationsstreuintensität unterschieden werden. Dieser Fall
ist in Fig. 2 dargestellt, welche den Bereich der Intensität
Id depolarisierten Streulichts zeigt, welches in einem
ausgewählten Winkel für Teilchen A und B in einer Teilchen
suspension gemessen wurde. Die unterschiedlichen Depolarisations
intensitäten der beiden Teilchen sind mit unterschiedlichen
Depolarisationsstrukturen in den beiden Teilchen verbunden,
welches zu unterschiedlichen Graden anisotroper Streuung
der Teilchen führt, wie nachstehend noch genauer erläutert
wird.
Jedes Teilchen hat, wie dargestellt ist, einen Intensitäts
verteilungsbereich entlang der Id-Achse, welcher charakteris
tisch für jede Teilchenart ist, und im wesentlichen nicht
mit der Intensitätsverteilung einer anderen Teilchenart
überlappt.
In zahlreichen Fällen kann die Teilchenanalyse eine oder mehrere
zusätzliche optische oder nichtoptische Antwortmessungen
erfordern, um die Verteilung der Zellen in einem Multipa
rameter-Merkmalsraum in getrennte, nicht überlappende
Bereiche zu separieren. Ein Beispiel einer Teilchendiskrimi
nierung, welche auf einem zweidimensionalen Merkmals
raum (2-Parameter-Dichteabbildung) beruht, ist in Fig.
3 dargestellt. Hier überlappen die Depolarisationsintensitäts
verteilungen der unterschiedlichen Arten A und B von
Teilchen in gewissem Maße, wie dargestellt, auf der Id-Achse,
so daß Teilchen nicht eindeutig in den einen oder anderen
Verteilungsbereich auf der Grundlage nur dieses Parameters
abgebildet werden können. Die Überlappung wird "aufgelöst",
wenn die Teilchen in Bereiche abgebildet werden, welche
in einer Dimension durch Depolarisationsstreuintensität
(Id) und in der zweiten Dimension durch totale Streuin
tensität (It) definiert sind, was zu zwei getrennten,
nicht überlappenden Bereichen führt. Es ist zu beachten,
daß die Teilchen nicht eindeutig auf der Grundlage totaler
Streuintensität allein unterschieden werden können, da
dieser Parameter eine beträchtliche Überlappung zwischen
diesen beiden Teilchenarten gibt.
Allgemeiner gesprochen definiert der zweidimensionale
Merkmalsraum eine Reihe von Flächenelementen, die parallel
zur Id-Achse verlaufen, beispielsweise Element 56, die
durch ein Inkrement in totaler Streuintensität definiert
sind. Innerhalb jedes derartigen Elements, welches hier
auch als Diskriminierungsraum bezeichnet wird, können
die zwei Teilchen auf der Grundlage ihrer unterschiedlichen
Depolarisationsstreuintensitäten unterschieden werden.
Dies bedeutet, daß innerhalb jedes Elements oder Diskrimi
nierungsraums die Teilchen der Suspension eine Depolari
sationsstreuintensität erzeugen, welche charakteristisch
für eine der Teilchenarten ist und nicht mit der Verteilung
eines Teilchens oder mehrerer Teilchen in der Suspension
überlappt.
Man kann sich überlegen, daß der zur Definition eines
geeigneten Merkmalsraums verwendete zweite Parameter
so beschaffen sein muß, daß er die Abbildungen der zwei
oder mehr Teilchenarten in unterschiedliche, nicht überlappende
Bereiche des Merkmalsraums separiert. In dem vorliegenden
Beispiel stellt die totale Lichtstreuung in denselben
Winkel einen wirksamen zweiten Parameter dar, da für
jede Teilchenart Teilchen mit einer höheren depolarisierten
Streuintensität eine höhere totale Streuintensität haben.
Für andere Teilchen kann es jedoch gewünscht oder notwendig
sein, die "Auflösung" der überlappenden Id-Intensitätsver
teilungen mit anderen optischen oder nichtoptischen Para
metern als der totalen Streuung in denselben Winkel zu
bewerkstelligen.
Die Ausweitung des Teilchendiskriminierungsverfahrens
auf drei Dimensionen ist in Fig. 4 dargestellt. Die
unterschiedlichen Teilchen A und B sind hier durch ihre
Abbildung in eine von zwei unterschiedlichen Volumenbereichen
charakterisiert, welche durch die depolarisierte Streuinten
sität (Id) in einer Dimension, die totale Lichtstreuung
(It) in einer zweiten Dimension und Lichtabsorption (A₀)
in einer dritten Dimension der Teilchen definiert sind.
Analog zu dem in Fig. 3 beschriebenen zweidimensionalen
Fall definiert der dreidimensionale Merkmalsraum eine
Reihe von Volumenelementen parallel zur Id-Achse, beispiels
weise Element 58, die durch Inkremente in der totalen
Streuintensität und Absorption definiert sind. Innerhalb
jedes derartigen Elements (dem Diskriminierungsraum)
können die beiden Teilchen auf der Grundlage ihrer unter
schiedlichen Depolarisationsstreuintensitäten unterschieden
werden. Dies bedeutet, daß innerhalb jedes Elements die
Suspensionsteilchen eine Depolarisationsstreuintensität
erzeugen, welche charakteristisch für eine der Teilchenarten
ist und nicht mit der Verteilung des anderen Teilchens
überlappt.
Fig. 5 stellt ein Flußdiagramm eines vom Analysator
14 ausgeführten Algorithmus zur Analyse zweier Teilchen
A und B auf der Grundlage ihrer Verteilungen in dem Id/It/A₀-
Merkmalsraum dar, der in Fig. 4 dargestellt ist. Es
wird angenommen, daß die Verteilungsbereiche der drei
Parameter vorher für jedes Teilchen festgelegt wurden,
und daß diese Information in einem Speicher des Analysators
in Form eines Feldes von Diskriminierungsraumelementen
abgelegt ist, von denen jedes durch eine inkrementale
Fläche ΔIt × ΔA₀ und die zugehörigen Intensitätsverteilungen
definiert sind, die charakteristisch für depolarisiertes
Streulicht der verschiedenen Teilchen innerhalb dieses
Elements sind.
Während jedes Teilchen durch die eine Sensorzone oder
mehrere Sensorzonen in der Flußkammer gelangt, werden
seine optischen Streu-/Absorptionsmerkmale durch die
zugehörigen optischen oder nichtoptischen Detektoren
in dem Zytometer gemessen, welche Antwortdaten in Form
von Spannungssignalen an den Analysator geben. Der Analysa
tor enthält einen (nicht dargestellten) Analog/Digital
wandler (ADC) , der die Eingangsspannungssignale in digitale
Werte für Id, It und A₀ umwandelt. Die Werte für It und
A₀ bilden ein geordnetes Paar, welches dann mit einem
der Volumenelemente des Diskriminierungsraums identi
fiziert wird, nämlich dadurch, daß es innerhalb der Fläche
ΔIt × ΔA₀ dieses Elements liegt. Ist einmal das zugehörige
Volumenelement gefunden worden, so wird der gemessene
Wert von Id verglichen mit der Verteilung der Id-Werte
für das Teilchen A in diesem Volumenelement. Liegt der
gemessene Wert innerhalb des Bereichs von Id für das
Teilchen A, so wird das Teilchen als ein A-Teilchen klassifi
ziert und diese Information wird gespeichert und/oder
an einen Zellensortierer in dem Zytometer gegeben, um
Teilchen A und B zu trennen. Zusätzlich können die quantifi
zierten Daten zeichnerisch in einer Dreiachsendarstellung
wie in Fig. 4 wiedergegeben werden, um die Dichte der
Zellen in dem Merkmalsraum darzustellen, und die Zellen
können gezählt werden.
Liegt der Wert Id des Teilchens nicht in dem A-Teilchenbe
reich, in dem zugehörigen Diskriminierungsraum, sondern
innerhalb des B-Bereichs, so wird das Teilchen derartig
klassifiziert und diese Information wird ebenfalls gespeichert,
an einen Sortierer gegeben und/oder dargestellt. Auf
ähnliche Weise kann das Teilchen so klassifiziert werden,
daß es weder zu A noch zu B gehört, und so analysiert
werden (welches ein Speichern oder eine zeichnerische
Darstellung der Teilchenart und/oder ein Zählen oder
Sortieren der Teilchen umfassen kann). Nach der Teilchenana
lyse wird der Analysator in einen Zustand zurückgeführt,
um Parameterdaten von dem nächsten Teilchen zu verarbeiten,
welches in der Sensorzone gesehen wird. Eine Änderung
des Algorithmus zum Betrieb in einem Merkmalsraum mit
von drei verschiedenen Dimensionen kann durchgeführt
werden.
Der Analysator umfaßt den voranstehend genannten Analog/Di
gitalwandler, einen Speicher zur Speicherung von Daten,
und einen Mikroprozessor zum Auffinden eines zugehörigen
Volumenelements des Diskriminierungsraums, basierend auf
gemessenen Eingangswerten für It und A, sowie zur Klassifi
zierung der Teilchenart, basierend auf den Id-Werten inner
halb des identifizierten Volumenelements. Der Mikroprozessor
kann üblich aufgebaut sein und wird mit üblichen Programmier
schritten zur Ausführung der voranstehend genannten Schritte
zur Datenspeicherung und zur Klassifikation programmiert.
Dieser Abschnitt beschreibt die Theorie depolarisierter
Lichtstreuung, wie sie gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird zur Teilchendiskriminierung (Teil A)
sowie exemplarische Zellendiskriminierungsverfahren und
Ergebnisse (Teil B).
Fig. 6 erläutert die in Fig. 1 dargestellte optische
Anordnung zur orthogonalen Lichtstreuung. Ein einfallender
Laserstrahl bewegt sich entlang der z-Achse und ist linear
polarisiert mit einem einfallenden elektrischen Feld
E entlang der x-Achse. An dem Ursprung O unseres Koordi
natensystems trifft der Laserstrahl sich entlang der
x-Achse bewegende Teilchen des Flußzytometers. Die Richtung
des gestreuten Lichts wird mit Polarkoordinaten r, Θ
und Φ beschrieben. Die Amplituden des gestreuten Lichts,
welches in der Θ und Φ-Richtung polarisiert ist, können
jetzt beschrieben werden durch (van de Hulst):
EΦ = (S₄ cosΦ-S₁sinΦ)f(EΦ) (1)
EΘ = (S₂ cosΦ-S₃sinΦ)f(EΘ) (2)
wobei f ein komplexer Ausdruck für eine Kugelwelle ist,
umgekehrt proportional zu r, der Entfernung zwischen
dem Streuer und dem Detektor, und S₁, S₂, S₃ und S₄ die
sogenannten Amplitudenfunktionen (van de Hulst) darstellen,
welche von Φ, Θ und der Geometrie und dem physikalischen
Aufbau des Streuers abhängen. Die meßbaren Lichtstreuin
tensitäten IΦ und IΘ sind mit diesen Feldern verbunden
über:
IΦ = |EΦ|² (3)
IΘ = |EΘ|² (4)
Die unter Verwendung idealer Polarisatoren, welche nur
die x-polarisierten oder die z-polarisierten Felder durchlassen,
gemessenen Lichtintensitäten sind als I₁ (parallel) und
Ir (senkrecht) bezeichnet. Ir wird als depolarisierte
Lichtstreuintensität bezeichnet und das Depolarisations
verhältnis ist hier definiert als:
D = Ir/(Ir+I₁) (5)
Für das in die y-z-Ebene, das heißt orthogonal bezüglich
der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts, Φ = 90°,
gestreute Licht können I₁ und Ir in folgender Form geschrieben
werden:
I₁ = |S₁ f (EΦ)|²
Ir = |S₃ f (EΘ)|² (6)
Ir = |S₃ f (EΘ)|² (6)
Während daher I₁ durch S₁ bestimmt ist, gibt die Messung
der depolarisierten Lichtstreuintensität bei dieser Geo
metrie Information über den Term S₃. Die Bedeutung dieses
Terms wird kurz erläutert.
Für homogene Kugeln, kugelförmige Schalen und so weiter
ist der Term S₂ gleich Null (von de Hulst) , S₃ wird bedeutsam
für optisch anisotrope Teilchen (infolge ihrer Form und/oder
Zusammensetzung) und für Teilchen, die Strukturen aufweisen,
so daß Mehrfachstreuung bedeutsam wird. Ein einfaches,
aber eindruckvolles Beispiel für das Letztere ist in
Fig. 7 dargestellt. Hier enthält das beleuchtete Teilchen
(Zelle) zwei intrazelluläre Kugeln, die auf der x-Achse
angeordnet sind. Ein bestimmter einfallender Strahl,
welcher sich entlang der z-Achse bewegt, wird entlang der
x-Achse durch die erste Kugel und entlang der y-Achse
durch die zweite Kugel reflektiert. Unter Anwendung der
Reflexionsgesetze findet man, daß die Polarisation dieses
Strahls sich so ändert, daß sie erst entlang der x-Achse,
dann aber entlang der z-Achse verläuft. Dies zeigt, wie
mehrfache Reflexionen zur Depolarisation führen und so
zu dem Term S₃ bei tragen. Auf ähnliche Weise kann gezeigt
werden, daß Mehrfachstreuung infolge von Beugung und
Brechung ebenfalls zur Depolarisation führen kann. Mehrfach
körniges oder anderes festes Material, welches Mehrfach
streuung innerhalb eines Teilchens zur Folge haben kann,
und andere Teilchenstrukturen, beispielsweise nicht kugelför
mige Gestalt, welche zu anisotroper Lichtstreuung führen
kann, werden zusammengenommen in diesem Zusammenhang
als Depolarisationsstruktur bezeichnet.
Obwohl die Behandlung der voranstehenden Amplitudengleichungen
in solchen Fällen einfacher ist, in denen ΔΦ gleich 0°
oder 90° ist (Vorwärtsstreuung beziehungsweise orthogonale
Streuung), wird aus Fig. 7 deutlich, daß Teilchendepola
risationsstrukturen innerhalb einer Zelle depolarisiertes
Streulicht in praktisch sämtlichen Streuwinkeln erzeugen.
Beispielsweise könnte ein drittes intrazelluläres Teilchen
in der in Fig. 7 dargestellten Zelle das sich entlang
der y-Achse bewegende depolarisierte Licht weiter in
Vorwärts- oder Rückwärtsstreurichtung reflektieren.
Typischerweise ist der optimale Meßwinkel für depolarisiertes
Streulicht der Winkel, welcher die beste Diskriminierung
zwischen den Teilchen in dem eindimensionalen (Id) Merkmals
feld gibt. Dies wiederum hängt von den relativen Amplituden
funktionen der unterschiedlichen Teilchenarten ab. Unter
diesen sind die wichtigsten S₃, der bei orthogonalen
Streuwinkeln dominiert, und S₄, der bei Vorwärtsstreuung
dominiert. Die relativen Beiträge dieser beiden Terme
können auf einfache Weise durch Messungen der depolarisierten
Lichtstreuung der unterschiedlichen Teilchen in Vorwärts
richtung und orthogonal festgestellt werden.
Die auf der unterschiedlichen Depolarisationsstruktur
basierende Diskriminierung zwischen Teilchen kann weiter
durch Verringerung des Kegelwinkels ΔΦ vergrößert werden,
bei welchem die Lichtintensität durch den Fotodetektor
gemessen wird. Wie voranstehend angegeben sammelt ein
optischer Detektor, beispielsweise ein Fotomultiplier,
Licht aus einem Kegel um die Achse bei dem ausgewählten
Meßwinkel. Im Falle orthogonaler depolarisierter Licht
streuung bedeutet dies, daß Depolarisationseffekte nicht
nur durch S₃ bewirkt werden (den einzigen Term bei 90°)
sondern auch durch die anderen Amplitudenfunktionen S₁,
S₂ und S₄. Diese zusätzliche Depolarisation rührt von
der Geometrie der Meßanordnung her und wird als Kreuz de
polarisation bezeichnet. Dieser Begriff steht in enger
Beziehung zu dem Term "Apertur-Polarisation", welcher
zur Beschreibung von Fluoreszenzpolarisationsexperimenten
verwendet wird.
Der Beitrag der Kreuzpolarisation zu den bei 90° gemessenen
Depolarisationseffekten kann durch Untersuchung der Abhängig
keit des Depolarisationsverhältnisses vom Kegelwinkel Φ
bestimmt werden. Dies läßt sich durch Anordnen einer
rechtwinkligen Blende vor der Sammellinse (Linse 42 in
Fig. 1) durchführen, wodurch die Winkel für das gesammelte
Licht zwischen Φ = 90 ± ΔΘ begrenzt werden. Bei einer
zur Stützung der vorliegenden Erfindung durchgeführten
Untersuchung wurde die gemessene Depolarisationsintensität
einer Vielzahl unterschiedlicher Zellen- und Teilchenarten
als eine Funktion des Akzeptanzwinkels bestimmt. Unter
bezug auf Fig. 8 waren die untersuchten Teilchen: Neutrophile
(geschlossene Kreise), Eosinophile (Kreuze), Monozyten
(offene Quadrate), Lymphozyten (offene Kreise), und Mikro
kugeln aus Polystyrol mit einem mittleren Durchmesser
von etwa 1,16 µm (offene Dreiecke). Die Intensität orthogonalen
depolarisierten Streulichts wurde bei Kegelwinkeln ΔΦ
von 2,5° und 14,5° gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
1 dargestellt.
Man erkennt, daß Kreuzpolarisationseffekte, wie sie durch
die Abhängigkeit der Depolarisation vom Akzeptanzwinkel
bestimmt werden, im wesentlichen in solchen Zellen fehlen,
die eine reiche interne Körnchenstruktur aufweisen (eosinophile
und neutrophile Granulozyten), sehr ausgeprägt bei kugel
förmigen Teilchen (Mikrokugeln) sind, die vermutlich
Licht isotrop streuen (S₃=S₄=0), und mittlere Werte für
Monozyten und Lymphozyten annehmen, welche keine ausge
prägte innere Körnchenstruktur aufweisen.
Die Abhängigkeit depolarisierter Streuintensität vom
Kegelwinkel wurde ebenfalls bei mittleren Kegelwinkeln
untersucht, und die Ergebnisse sind in Fig. 8 dargestellt.
Die Kurven in der Figur sind sämtlich auf einen gemeinsamen
Wert bei 14,5° normalisiert. Die gestrichelte Linie in
der Figur ist die theoretische Abhängigkeit zweiter Ordnung,
berechnet für ideale Kugeln. Die Ergebnisse stützen den
allgemeinen voranstehend angegebenen Schluß, daß Zellen
mit stark polarisierenden (beispielsweise körnchenartigen)
Strukturen geringe Kreuzpolarisationseffekte zeigen,
wogegen solche mit nur mäßigen Depolarisationsstrukturen
Kreuzpolarisationseffekten unterliegen. Die Ergebnisse
deuten an, daß Unterschiede in der Identitätsverteilung
zwischen höher und mittelstark depolarisierenden Teilchen
vergrößert werden können, indem orthogonale Intensitäts
messungen bei einem geringen Kegelwinkel durchgeführt
werden.
Falls man findet, daß die unterschiedlichen Teilchen
in einer Suspension überlappende Verteilungsbereiche
der depolarisierten Intensität sowohl bei orthogonalen als
auch Lichtstreuwinkeln in Vorwärtsrichtung aufweisen,
ebenso wie bei niedrigen Kegelwinkeln, werden ein oder
mehrere zusätzliche Teilchenparameter zur Diskriminierung
der Teilchen erforderlich. Die einfachsten Parameter
sind Lichtstreumessungen, da diese keine zusätzlichen
Lichtquellen und/oder Änderungen der Flußzelle erfordern.
Eine allgemeine Art von Lichtstreumessungen ist depolari
sierte Lichtstreuung bei einem zweiten Winkel. Dies kann
sich als nützlich erweisen, wenn beispielsweise die zu
unterscheidenden Teilchen unterschiedliche Werte für
S₃ und S₄ aufweisen, so daß die Kombination von depolarisierten
Streumessungen orthogonal und in Vorwärtsrichtung unter
schiedliche Teilchenbereiche ergibt. Eine zweite Art
von Streumessungen ist die des totalen Streulichts, welches
entweder im selben Winkel wie das depolarisierte Streulicht
gemessen wird oder in einem unterschiedlichen Winkel.
Wie nachstehend noch eingehender ausgeführt wird, ergibt
diese Methode eine gute Trennung der Merkmalsraumbereiche
unterschiedlicher Arten von Granulozyten. Schließlich
kann depolarisiertes Streulicht noch in unterschiedlichen
Kegelwinkeln gesammelt werden.
Aus dem Voranstehenden wird deutlich, daß das vorliegende
Verfahren bei jeder Flußzytometeranwendung genutzt werden
kann, bei welcher die zu unterscheidenden Teilchen unter
schiedliche Depolarisationsstrukturen aufweisen. Eine
wichtige Anwendung liegt in der Unterscheidung unterschied
licher Arten von Blutzellen, die in einer Probe von Blutzellen
oder einer zellularen Fraktion vorliegen. Die zu unter
scheidenden Zellenarten können Fälle umfassen wie die
Unterscheidung von Granulozyten von anderen Zellarten,
Bestimmung unterschiedlicher Arten von Granulozyten,
Unterscheidung von Lymphozyten gegenüber Monozyten, sowie
Unterklassen bestimmter weißer Zellen.
Als Beispiel zur Diskriminierung von Zellen im Falle
stark depolarisierender Zellen wurde das Verfahren zur
Unterscheidung granulozytischer Eosinophile und Neutro
phile verwendet. Menschliches Blut wurde durch Punktion
der Venen gesunder Personen erhalten. Heparin wurde als
Anticoagulationsmittel verwendet. Gereinigte Granulozyten
wurden durch Dichtetrennung gemäß veröffentlichter Verfahren
(Terstappen, 1985) erhalten. Zellensuspensionen wurden
auf Konzentrationen von 1 × 10⁶/ml in phospatgepufferter
Salzlösung (PBS) eingestellt, die 0,005% Natriumazid
und 1% Rinderserumalbumin (BSA) aufwies. Die Messungen
wurden am selben Tag durchgeführt, um die Lebensfähigkeit
der Zellen zu erhalten.
Flußzytometrische Experimente wurden mit dem voranstehend
beschriebenen Flußzytometer ausgeführt, bei welchem der
beleuchtende Laserstrahl auf 488 nm eingestellt wurde
und die Streuung in einem quadratischen Flußkanal mit
Abmessungen von 250 µm × 250 µm stattfand. Orthogonale
depolarisierte und totale Lichtstreuintensitäten wurden
mit der in Fig. 1 dargestellten Strahlteileranordnung
gemessen. Die Ergebnisse sind als zweiparametrige Dichte
abbildung aus Fig. 9A ersichtlich. Man erkennt, daß
das Verfahren beide Zellenarten in unterschiedliche und
nicht überlappende Merkmalsbereiche abbildet, wie in
Fig. 3 beschrieben wurde.
Da die Intensität depolarisierten orthogonalen Streulichts
nicht hoch ist, wurde die Möglichkeit untersucht, daß
das gemessene depolarisierte Licht durch elastische Licht
streuung und nicht durch Autofluoreszenz hervorgerufen
wurde. Hierzu wurde ein 500 nm kurzwelliger Durchlaßfilter
in die Nachweisoptik eingesetzt, die Ergebnisse wurden
hierdurch nicht beeinflußt. Zusätzlich wurde die Beleuchtungs
wellenlänge des Argonionenlasers von 488 auf 509 und
514 nm geändert und ein Helium-Neon-Laser mit 633 nm
verwendet. In sämtlichen Fällen waren die erhaltenen
Ergebnisse gleich.
Das Verfahren wurde ebenfalls zur Sortierung von Zellen
verwendet, um die beiden Bevölkerungen von Granulozyten
zu trennen. Hier wurde das Flußzytometer mit einem konventio
nellen Sortierer ausgerüstet und der Analysator so ausgelegt,
daß er auf der Grundlage schneller Zellendiskriminierung
Signale an den Sortierer abgab. Die sortierten Unterpo
pulationen von Granulozyten wurden lichtmikroskopisch
untersucht, nachdem sie gemäß May-Gruenwald angefärbt
worden waren. Die eine relativ hohe Depolarisation orthogonaler
Lichtstreuung aufweisenden Zellen wurde identifiziert
als eosinophile Granulozyten (99% Reinheit) während
die andere Population aus neutrophilen Granulozyten bestand
(99% Reinheit).
Als Beispiel für Zellendiskriminierung im Falle mittelstark
depolarisierender Zellen wurde das Verfahren zur Diskri
minierung von Lymphozyten und Monozyten eingesetzt. Heparini
siertes Blut wurde erhalten wie voranstehen beschrieben.
Zubereitungen menschlicher Leukozyten wurden erhalten,
indem 190 ml lysierten Puffers (8,29 g/l NH₄Cl, 0,0037
g/l Na₂ EDTA, 1,00 g/l KHCO₃) 10 ml normalen Bluts zugegeben
wurden und 20 Minuten lang bei 4°C inkubiert wurden.
Die lysierten Blutsuspensionen wurden dreimal in PBS
gewaschen. Die Zellensuspensionen wurden auf eine Konzen
tration von 1 × 10⁶/ml in PBS eingestellt, welches 0,005%
Natriumazid und 1% Pferdeserumalbumin (BSA) enthielt.
Depolarisiertes und totales Streulicht wurden wie voran
stehend angegeben gemessen. Die Ergebnisse sind als zwei
parametrige Dichteabbildung in Fig. 9B dargestellt.
Man erkennt, daß das erfindungsgemäße Verfahren die beiden
Zellenarten in unterschiedliche und nicht überlappende
Merkmalsbereiche abbildet. Die Dichteabbildung zeigt
ebenfalls das Vorliegen einer kleinen Unterpopulation
von Lymphozyten mit relativ großer Depolarisation.
Menschliche Erythrozyten wurden ebenfalls mit demselben
Verfahren untersucht und die Ergebnisse sind in Fig.
9C dargestellt. Die Zellen zeigen eine geringfügige oder
überhaupt keine auf der Depolarisationsstruktur basierende
Heterogenität.
Eine Anzahl anderer Zellenarten und nichtzellulärer Teilchen
kann ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unterschieden
und/oder sortiert werden. Hierzu gehören Spermazellen,
welche stark anisotrope Strukturen aufweisen, Bakterien
auf der Grundlage anisotroper Form, und kristalline Teilchen,
beispielsweise Harnsäurekristalle, basierend auf irregulärer
Kristallform. Für jede dieser Teilchenarten können optimale
Bedingungen für die Messung der Depolarisation festgelegt
werden wie voranstehend angegeben, und falls erforderlich
können zusätzliche optische und/oder nichtoptische Parameter
ausgewählt werden, entsprechend dem bekannten Verhalten
der Teilchenarten gegenüber verschiedenen optischen und/oder
nichtoptischen Antwortcharakteristiken der Teilchen.
Aus dem Voranstehenden wird deutlich, wie die verschiedenen
Ziele und Vorteile der Erfindung erreicht werden. Das
erfindungsgemäße Verfahren erweitert die Arten von Teilchen,
die unterschieden und/oder voneinander sortiert werden
können, auf der Grundlage der unterschiedlichen Depolari
sationsstruktur der Teilchen. In zahlreichen Fällen stellt
die depolarisierte orthogonale Lichtstreuung einen äußerst
kostengünstigen Parameter für bestehende Flußzytometer
zur Verfügung, und diese einfache Zufügung gibt wertvolle
Information, die nicht durch andere Maßnahmen erhältlich
ist.
Als ein Beispiel ist die Fähigkeit zur Unterscheidung
eosinophiler Granulozyten von neutrophilen Granulozyten
von praktischer und theoretischer Bedeutung. Gemäß der
vorliegenden Erfindung kann nunmehr ein einfaches Flußzyto
meter mit einem Laser niedriger Leistung zur Verfügung
gestellt werden, welches weiße Blutkörperchen mit nicht
angefärbten Zellen unterscheiden kann. Bislang mußten
komplexe und instabile Färbetechniken angewendet oder
die schwache Autofluoreszenz mit einem teuren Argonionenlaser
(Weil) gemessen werden.
Claims (19)
1. Verfahren zur Analyse zumindest zweier unterschiedlicher
Teilchenarten auf der Grundlage unterschiedlicher Depolarisa
tionsstrukturcharakteristik der verschiedenen Teilchenarten, mit
folgenden Schritten:
- - Leiten einer Teilchensuspension, die unterschiedliche Teil chenarten enthält, durch eine optische Sensorzone (36),
- - Beleuchten der Teilchen in der Zone mit einem einfallenden Strahl (26) linear polarisierten Lichts,
- - Erzeugen, durch die Beleuchtung, depolarisierten Streulichts von jedem Teilchen, dessen Intensität in einem auswählbaren Streuwinkel von der Depolarisationsstruktur des Teilchens ab hängt und innerhalb eines Intensitätsverteilungsbereiches in einem geeigneten Diskriminierungsraum liegt, welcher a) charak teristisch für eine der Teilchenarten ist und b) im wesentlichen nicht mit der Intensitätsverteilung der anderen Teilchenarten in der Suspension überlappt,
- - Messung der Intensität des depolarisierten Streulichts (44) von jedem Teilchen im ausgewählten Winkel, und
- - Analysierung verschiedener Teilchenarten in der Suspension, basierend auf der Intensität des gemessenen depolarisierten Streulichts in dem Diskriminierungsraum.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beleuchtung mit einem Strahl (26) kohärenten, linear po
larisierten Lichts erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der ausgewählte Winkel orthogonal zum einfallenden Licht
stahl (26) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Diskriminierungsraum ein eindimensionaler Raum ist, wel
cher durch die Intensität des depolarisierten Lichts festgelegt
ist, welches durch die beleuchteten Teilchen gestreut und in dem
ausgewählten Winkel gemessen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Diskriminierungsraum in einem zumindest zweidimensiona
len Raum liegt, welcher in einer Dimension durch die Intensität
des von den beleuchteten Teilchen gestreuten depolarisierten
Lichts, gemessen in dem ausgewählten Winkel, und in einer zwei
ten Dimension durch die Reaktion der Teilchen auf eine zweite
Lichtmessung bestimmt ist, deren mittlere Antwortwerte sich für
die unterschiedlichen Teilchenarten unterscheiden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Dimension durch die Intensität in einem weiteren
ausgewählten Winkel gemessenen polarisierten Streulichts be
stimmt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Unterscheidung von Eosinophilen und Neutrophilen für den
ausgewählten Winkel ein etwa rechter Winkel bezüglich der Rich
tung des Lichtstrahls (26) gewählt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß für den weiteren ausgewählten Winkel ebenfalls ein etwa
rechter Winkel bezüglich der Richtung des Lichtstrahls (26) ge
wählt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Diskriminierungsraum in einem dreidimensionalen Raum
liegt, welcher in einer Dimension durch die Intensität des von
den beleuchteten Teilchen gestreuten depolarisierten Lichts be
stimmt ist und in einer zweiten und in einer dritten Dimension
durch die Intensität des von den beleuchteten Teilchen gestreu
ten polarisierten Lichts, in Richtungen, welche etwa orthogonal
beziehungsweise parallel zum einfallenden Lichtstrahl (26) lie
gen.
10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Dimension durch die infolge wellenlängenspezifi
scher Lichtabsorption beeinflußte Intensität von Licht in Vor
wärtsrichtung gegeben ist, wobei die unterschiedlichen Teilchen
verschiedene wellenlängenspezifische Extinktionskoeffizienten
aufleisen.
11. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Dimension durch die in Vorwärtsrichtung gemessene
Fluoreszenzpolarisation der Teilchen gegeben ist, wobei die
Teilchen unterschiedliche Fluoreszenzpolarisationseigenschaften
aufweisen.
12. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Dimension durch die in einem ausgewählten Emis
sionswellenlängenbereich gemessene Emissionsintensität festge
legt ist, wobei die Teilchen unterschiedliche Fluoreszenzeigen
schaften in Gegenwart eines ausgewählten Fluoreszenzfarbstoffs
aufweisen.
13. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Unterscheidung von Teilchen mit unterschiedlicher eige
ner Depolarisation das depolarisierte Streulicht in einem rela
tiv großen Akzeptanzwinkel um den ausgewählten Winkel herum ge
messen wird und die zweite Dimension durch die Intensität depo
larisierten Streulichts bestimmt ist, welche in einem relativ
kleinen Akzeptanzwinkel gemessen wird.
14. Einrichtung (10) zum Analysieren zumindest zweier unter
schiedlicher Teilchenarten auf der Grundlage unterschiedlicher
Depolarisationsstrukturen, welche charakteristisch für die ver
schiedenen Teilchenarten sind, mit
- - einer eine optische Sensorzone (36) festlegenden Vorrichtung,
- - einer Vorrichtung (16) zum Durchleiten einer Suspension der Teilchen durch die Zone (36),
- - einer Lichtquelle (28) zur Beleuchtung der Teilchen in der Zo ne mit einem einfallenden Strahl (26) linear polarisierten Lichts, um von jedem Teilchen depolarisiertes Streulicht zu er zeugen, dessen Intensität in einem ausgewählten Streuwinkel von der Depolarisationsstruktur des Teilchen abhängt und innerhalb eines Intensitätsverteilungsbereichs liegt, welcher in einem ge eigneten Diskriminierungsraum a) charakteristisch für eine der Teilchenarten ist und b) im wesentlichen nicht mit der Intensi tätsverteilung der anderen Teilchenarten in der Suspension über lappt,
- - einem Detektor (20), der zur Messung der Intensität des depo larisierten Streulichts von jedem Teilchen in dem ausgewählten Winkel ausgebildet ist, und
- - einer Analyseeinrichtung (14), mit der die unterschiedlichen Teilchenarten bestimmbar sind auf der Grundlage der gemessenen depolarisierten Lichtstreuintensität in dem Diskriminierungs raum.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß ein zweiter Detektor (22) vorgesehen ist, der für eine zwei
te Lichtmessung ausgebildet ist, deren mittlere Antwortwerte
sich für die unterschiedlichen Teilchenarten unterscheiden, und
daß die Analyseeinrichtung (14) zur Analyse anhand eines Diskri
minierungsraumes ausgebildet ist, der in einem zumindest zweidi
mensionalen Raum liegt, welcher in einer Dimension durch die In
tensität des von den beleuchteten Teilchen gestreuten depolari
sierten Streulichts bestimmt ist, welches in dem ausgewählten
Winkel gemessen wird, und in einer zweiten Dimension durch die
Antwort der Teilchen auf die zweite Lichtmessung bestimmt ist.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Detektor (22) zur Messung polarisierten Streu
lichts in einem Streuwinkel, welcher mit dem ausgewählten Winkel
übereinstimmt, ausgebildet ist.
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Unterscheidung von Eosinophilen und Neutrophilen der De
tektor (20) zur Messung depolarisierten Streulichts zum Empfang
orthogonalen Streulichts angeordnet ist.
18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Detektor (22) ebenfalls zum Empfang orthogonalen
Streulichts angeordnet ist.
19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß eine dritte Meßeinrichtung (24) vorgesehen ist, die zur Mes
sung in Vorwärtsrichtung gestreuten polarisierten Lichts ausge
bildet ist, und daß die Analyseeinrichtung (14) zur Analyse an
hand eines Diskriminierungsraumes ausgebildet ist, der innerhalb
eines dreidimensionalen Raumes liegt, welcher in einer Dimension
durch die Intensität des von den beleuchteten Teilchen gestreu
ten, depolarisierten Streulichts bestimmt ist und in einer zwei
ten beziehungsweise dritten Dimension durch die Intensität des
von den beleuchteten Teilchen gestreuten polarisierten Lichts in
einer Richtung, welche etwa orthogonal beziehungsweise parallel
zum einfallenden Lichtstrahl verläuft.
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