生物技术和制药研发活动增加、医药研发领域对成本控制的需求、信息学解决方案和成像仪器的进步以及发达市场的政府资助和风险投资的热度是推动高内涵筛选(HCS)市场增长的主要因素。
高内涵细胞成像分析系统是一种利用高倍镜成像技术对细胞进行图像采集和分析的仪器设备。得益于显微成像、自动化和计算机等技术的迅猛发展，使其能够对大量细胞进行高分辨率成像和数据分析，实时提供海量生物学信息，广泛应用于生物医学、药物筛选等领域。
《窥微探秘，高内涵细胞成像前沿技术与进展》专题。本期，特别邀请到美谷分子仪器（上海）有限公司产品经理苏园园博士谈一谈Molecular Devices高内涵成像分析系统发展历程、创新技术以及她对未来市场的看法。
苏园园：基于细胞或者小型模式生物的高内涵细胞成像与分析筛选（HCS，High-content screening）属于现代表型筛选系统的一种，主要由高速显微镜、图像分析和数据管理三个部分组成。有别于传统显微镜或共聚焦，高内涵系统以高通量、高分辨率、高度自动化、多参数分析等特点被广泛应用于药物筛选、细胞生物学和生物医学等研究领域。在保持活细胞结构和功能完整性的前提下，高内涵系统可以在亚显微形态下同时检测不同条件对细胞形态、生长、分化、迁移、凋亡、代谢途径及信号转导等方面的影响，从单一实验中获取大量相关信息，利用灵活且丰富的分析手段，对复杂的细胞学机理和相互作用有更深入的研究，从而确定分子的作用机制、代谢途径和潜在毒性。这些特点使其能够最大程度上避免传统显微镜的主观性或其他高通量筛选检测方式因检测指标相对单一而带来的假阳性和假阴性结果。高内涵细胞成像分析系统的诞生可以追溯到20世纪90年代。随着光学技术、形态学分析方法和自动化控制的发展，科学家们开始意识到利用高通量自动化技术对细胞进行观察和分析的潜力。1997年，美国Cellomics公司成功开发出首个高内涵高通量筛选技术平台，其后随着生命科学的高速发展和生物医药研发活动的激增，高内涵成像系统不断迭代。
荧光成像系统主要用于观察和分析荧光标记的细胞分子、蛋白质或细胞器等，特异性强易追踪；透射光成像系统则用于直接观察非荧光标记的细胞结构和形态，无需标记简便快捷。
通常来说宽场成像可以满足大部分日常需求，例如荧光强度、类器官球体大小、神经生长、细胞形态、细胞迁移、细胞周期等。但是在某些对信噪比要求较高的实验中，共聚焦则表现出更大的优势。例如对比较厚的样品进行三维成像并精确定量，或想要成像尺寸较小的结构时（如囊泡、细胞器等），由于宽场非焦面信息的干扰，图像信噪比较差，无法获得准确的分析数据。而共聚焦最大的优势在于去除了来自非焦面的信号，极大地提高了图像的信噪比，图像更清晰。目前主流的高内涵都是转盘共聚焦的设计原理，相较宽场和点扫描共聚焦，转盘共聚焦兼顾了图像质量和扫描速度，以高速获取高质量的动态图像，从而进行下游分析。
苏园园：据Market research的调研报告显示，2022年，全球高内涵筛选市场规模达到12亿美元，预计到2028年，市场规模将达到20亿美元，2023-2028年期间的年复合增长率（CAGR）将达到8.4%。这其中仪器设备及配套软件占比约60%~65%。生物技术和制药研发活动增加、医药研发领域对成本控制的需求、信息学解决方案和成像仪器的进步以及发达市场的政府资助和风险投资的热度是推动高内涵筛选(HCS)市场增长的主要因素。高内涵市场分布地区差异明显，北美是最大的高内涵筛选市场（40%），其次是欧洲、亚太地区、拉丁美洲以及中东和非洲。
最高增长，这主要得益于药物发现研究的增加、政府举措、跨国公司对新兴市场的日益关注以及研发基础设施的发展。根据仪器信息网报道，从全国招标数据来看，国内高内涵筛选市场近几年稳中有升，主要玩家以进口品牌为主，包括Molecular Devices（美谷分子，美国）、Revvity（瑞孚迪，美国）、Thermo Fisher Scientific（赛默飞，美国）、Agilent（安捷伦，美国）、YOKOGAWA（横河电机，日本）等，国产品牌仍属于空白状态。从2023年中标金额来看，Molecular Devices和Revvity两家品牌抢占70%市场份额。另外，市场细分之下，超半数集中在高校和科研院所。成像技术在药物发现和研究中发挥着巨大作用，未来随着工业市场的复苏和蓬勃发展，高内涵的应用场景和采购规模在这个细分市场也会随之增加。
苏园园：Molecular Devices（以下简称美谷分子）隶属于丹纳赫集团生命科学平台，创立于1983年的美国硅谷。在1986年推出第一款酶标仪后，美谷分子通过研发投入和战略收购，不断拓展生命科学研究及药物研发产品组合方案。美谷分子也是最早进入细胞成像领域的公司之一，1991年推出了符合行业标准的显微镜自动化成像及分析软件MetaMorph。2002年推出ImageXpress 5000A自动细胞成像和分析系统。在此基础上，跟随生物医药研发领域的小分子药物、抗体药、细胞与基因治疗、核酸药物等发展浪潮，美谷分子逐步发展出更完整的ImageXpress系列高内涵筛选解决方案，在成像模式、水镜、人工智能分析等领域都实现了突破。目前美谷分子高内涵成像系统家族，主要有五款成员，包括
。从宽场到智能化共聚焦，美谷分子帮助用户实现从2D到3D、从基础科学到药物发现的一系列研究。ImageXpress全系产品都配备独特的激光/图像自动聚焦，通过多个反射面的寻找自动定位焦面，样品适用性强，无需使用特定板材，轻松实现玻片、孔板、transwell孔板、微流控芯片、组织芯片等各种类型的样品的聚焦和成像。特别是在培养耗材个性化定制、异质性越来越强的今天，如何利用对焦系统解决焦面的寻找和稳定问题是广大用户的一大呼声。
有别于传统成像系统，高内涵的特点之一就是提供异常丰富的数据分析结果。美谷分子的ImageXpress产品系列配置的图像分析软件以经典软件Metamorph为基础，进化出基础模块、自定义模块、人工智能分析、AcuityXpress生信分析、StratoMineR云分析等，为图像数据提供更多洞察。同时其强大的第三方设备的可扩展性和灵活性，也为实现用户的完整工作流程和自动化设备的接入提供了优质平台。
ImageXpress Confocal HT.ai智能型共聚焦高内涵成像分析系统，是美谷分子公司目前最高端型号的共聚焦高内涵产品。它在灵活的ImageXpress Micro Confocal共聚焦高内涵成像分析系统基础上，集成了智能分析软件IN Carta，使高内涵图像分析进入了AI时代。只需要画笔勾画出代表性目标和背景，AI会自动学习并形成分析方法，无需繁琐的参数设置，无需实验者花费大量的时间学习和积累经验，新手即可入手复杂的分析。Phenoglyphs 模块提供了一种强大的可训练分类，同时，硬件上使用7色激光光源、双转盘共聚焦、自动补水的水镜系统和活细胞孵育装置等，使该型号仪器可为3D细胞球及类器官等前沿应用提供更适合的成像与分析系统。
宽场代表产品ImageXpress Micro 4属于成像技术。新颖灵活的设计，极快的成像速度用于完成钙流、纤毛摆动等快速动力学实验；还可在未来需要时，将系统升级到共聚焦的成像水平。联合使用 MetaXpress 系列高内涵图像获取和分析软件，ImageXpress Micro 4 系统以化和高通量筛选的方法，帮助用户发现下一个重大突破。
而ImageXpress Pico系统是桌面级的平台产品，能够方便地安装于任何实验室。跟随软件图像化的按钮，一步一步地按照工作流程进行图像的采集和分析即可。系统软件集成有超过 25 种分析方案，从简单的细胞计数到复杂的神经轴突分析，软件都能自动、快速的进行参数优化，而无需反复调试。获得的分析结果可通过各种可视化的形式进行展示，包括热图、散点图、表格、柱状图和视频等。
仪器信息网：贵司高内涵细胞成像分析系统主要应用哪些领域的哪些实验环节？有哪些代表性用户单位？
苏园园：借助软硬件及独特的聚焦方式，美谷分子高内涵产品适用性极强，从细胞、组织、类器官到微流控芯片、模式动物以及活细胞等样本都可实现高质量的成像和分析。各种生物学实验环节都有涉及：药物药效和毒性评价、药物筛选、活性组分评价、类器官的培养与检测、神经细胞的发育与调节、血管生成、细胞自噬等。这些研究被广泛的应用于：药物筛选、毒性毒理、肿瘤免疫、干细胞、脑科学、生物信息化技术、疾病模型构建、类器官3D模型、生物探针开发、生物医学工程、环境学和食品安全等领域。以独特的软硬件设计和快速高质量服务及广泛的合作基础上，美谷分子高内涵产品赢得了用户群的认可和赞誉。罗氏、诺华、GSK、阿斯利康、默克、拜耳等国际知名药企，斯坦福大学、剑桥大学等研究机构及相关医院都是美谷分子的用户。国内代表性用户有清华大学、上海交通大学、浙江大学、中山大学、中国药科大学、天津中医药大学、中医科学院、中科院植生所、北京大学肿瘤医院、仁济医院、中检院、CDC、恒瑞医药、义翘神州等知名科研院校、医院、政府机构及企业等。美谷分子也不断保持与行业内专家和机构的合作，持续进行方法或产品的共同开发，实现合作共赢。
苏园园：现阶段在分析大量图像时，显微镜的使用者需要花费时间和精力学习各种分析方法，调试合适的识别参数，还要面对不同类型的图像，如低信噪比、荧光强弱差距大的目标、各种明场图像等，甚至有可能在付出大量精力后也不一定能形成好的分析方法。人工智能图像分析软件的出现可以为高内涵生成的海量数据提供简易、省时、高效的分析手段。随着算法的精进和改良，相信以AI为基础的图像分析会是未来高内涵发展的一大趋势。另外，实验室自动化技术以超过10%的年复合增长率在加速发展，如何在药物研发降本增效压力下，将自动化与高内涵更有机的结合在一起，加速样本转移、成像和分析，消除人为误差，提高候选药物的筛选效率，也是高内涵未来的发展目标或趋势。
“3D Cell Culture”相关的文献，近五年的发表量占据了60%。与传统的2D培养模型相比，3D模型能够更好地模拟体内组织结构、基因表达和代谢情况。其中的类器官，凭借其高度的仿生性和大规模可及性，成为疾病机制研究、疾病治疗和药物研发的新窗口，有望提高药物筛选的效率，提升药物进入临床的成功率。在临床上类器官具备个性化治疗和构建生物样本活库的潜力，对于罕见病的机制和治疗的研究也独具优势。这些应用场景都会涉及到类器官的形态学评价，如高通量药物筛选、细胞治疗、siRNA文库筛选用于新型疗法、药效评价、毒性评估等。而对3D类器官的高速、高通量成像和大数据的分析和挖掘，目前也只有高内涵系统能够胜任。另外，对于类器官无法模拟的血液流动或多器官间的相互交流，器官芯片/类器官芯片的诞生，为科学家们带来了新的研究利器。随着研究者对体外模型仿生性的不断追求，以及药物研发过程中动物使用相关法规政策的完善，相信这一细分市场对于高内涵的需求也会越来越多。借助独特的自动聚焦、转盘技术和数据分析挖掘能力，美谷分子高内涵在3D类器官/器官芯片领域积淀多年。除了下游分析系统，在上游的类器官制备培养阶段，目前美谷分子也推出了全自动智能化类器官工作站，通过自动化流程、标准化protocol和人工智能，提升培养的标准化和一致性，大规模提供高度可重复的3D细胞模。
