在细胞生物学与药物研发领域，活细胞分析是揭示生命活动规律、评估药物作用机制的核心手段。然而，传统荧光标记技术因光毒性、光漂白及化学干扰等问题，难以实现长期、无损的动态监测。无标记检测技术通过捕捉细胞内在物理特性或内源性信号，突破了这一瓶颈，成为活细胞研究的新范式。本文将从光学、电学及计算成像三大技术路径，解析无标记检测如何实现“无扰”活细胞分析。

一、光学衍射层析：重构细胞三维折射率分布

光学衍射层析成像技术（Optical Diffraction Tomography, ODT）以衍射理论为基础，通过多角度平面波照明获取散射光场的振幅与相位信息，结合数字全息解算与傅里叶逆变换，重构细胞三维折射率分布。折射率作为细胞内部固有的对比源，可量化反映细胞器密度、蛋白质浓度及膜结构变化。

例如，HoloMonitor®活细胞动态全息定量成像系统采用数字全息显微技术，无需任何标记即可实时追踪单细胞形态、迁移轨迹及增殖动力学。其核心优势在于：

1.非侵入性：避免荧光染料对细胞代谢的干扰，支持长达数周的连续观测；

2.高分辨率：通过相位恢复算法实现亚细胞级成像，清晰分辨线粒体、内质网等结构；

3.多模态融合：可选配荧光模块，将绿色荧光信号与全息数据结合，构建“形态-功能”关联分析体系。

在神经母细胞瘤3D培养模型中，该技术揭示了不同基因型细胞对化疗药物的差异化响应：MYCN扩增型细胞表现出更强抗凋亡能力，而ALK突变型细胞对药物更敏感。这一发现为肿瘤精准治疗提供了关键实验依据。

二、阻抗传感：监测细胞生理状态的“电信号指纹”

无标记阻抗检测技术通过微电极阵列实时监测细胞在微孔中的生理状态变化。当细胞贴附或增殖时，电极间阻抗值升高；细胞凋亡或脱落时，阻抗值下降。这种非接触式检测允许对同一批细胞进行数天至数周的连续观察，获得完整的生长动力学曲线。

Bio-Rad ZE5细胞分析仪采用该技术，具备以下特性：

1.高通量：可同时监测6个96孔板，时间分辨率达每分钟一次；

2.高灵敏度：可检测低至100个/孔的细胞数量变化；

3.动态药效评估：在药物筛选中，可区分细胞抑制（生长停滞）与细胞毒性（死亡）作用，提供IC50、EC50等关键参数。

在免疫细胞治疗研究中，该技术成功实时监测CTL细胞对肿瘤细胞的杀伤动力学，发现杀伤效率与靶细胞表面PD-L1表达量呈负相关，为优化CAR-T疗法提供了量化指标。

三、计算成像：突破衍射极限的无标记超分辨

传统光学成像受衍射极限限制，难以实现纳米级分辨率。计算成像技术通过算法优化与物理模型融合，突破了这一瓶颈。例如：

1.傅里叶叠层显微成像（FPM）：通过相位恢复算法从多幅低分辨强度图中重建高分辨复振幅图，实现2倍分辨率提升；

2.光声成像：利用内源性血红蛋白、脂类等分子的吸收光谱差异，实现化学选择性成像，监测肿瘤血管生成及氧合状态；

3.表面等离子体共振（SPR）：通过金属膜表面折射率变化检测生物分子相互作用，灵敏度达皮克级。

在单细胞蛋白质组学研究中，无标记质谱检测技术（Label-Free Quantitation, LFQ）通过质谱信号强度或谱图数量定量分析蛋白质表达水平。百泰派克生物科技基于Orbitrap Fusion Lumos质谱仪，结合MaxQuant算法，实现了高重复性、低噪声的蛋白定量，成功揭示肝癌干细胞与正常肝细胞在代谢通路上的差异。

四、技术融合：多模态无标记检测的未来方向

单一检测技术往往存在局限性，如光学成像深度不足、电学检测缺乏形态信息。多模态融合成为突破瓶颈的关键。例如：

HoloMonitor+荧光：全息成像提供形态学数据，荧光标记定位特定蛋白，揭示细胞骨架重组与迁移能力的关联；

ODT+拉曼光谱：折射率分布反映细胞结构，拉曼信号解析化学成分，实现“结构-功能”同步监测；

阻抗+微流控：在3D肿瘤球状体中，阻抗检测穿透球体监测内部细胞状态，微流控芯片模拟血流剪切力，构建更真实的生理模型。

总结

无标记检测技术通过光学、电学与计算成像的协同创新，实现了活细胞分析的“无扰化”与“动态化”。从单细胞追踪到3D组织模型，从药物筛选到疾病机制解析，这一技术正在重塑生命科学研究的范式。未来，随着人工智能算法与纳米光学器件的进一步融合，无标记检测将迈向更高分辨率、更强适应性的新阶段，为精准医学与再生医学提供更强大的工具。