想像一下：你面前有 500個印有編號的小球。如果要你在一秒鐘內選出所有偶數的小球，你會怎麼辦？再複雜一點，如果球的大小只有0.01毫米，比頭髮的寬度還小呢？你會從何著手識別和分類這些小球？這聽起來是個棘手的問題，對嗎？在現實中，生物學家經常都要處理同樣的難題，只是他們不是在處理小球，而是在處理細胞。我們每個器官都由許多不同類型的細胞組成，如果我們只想研究其中一種類型的細胞，那該怎麼辦？第一步就是將器官分解成單個細胞，然後「挑選」所需的細胞。生物學家在 1960年代後期就這道難題給出了一個巧妙的解答：流式細胞技術（flow cytometry）[1]。

在我們解釋流式細胞技術的原理之前，我們首先要認識所討論的目標 — 細胞。就像每個人都具有獨特的識別特徵一樣，不同類型的細胞也有自己的特徵。細胞最簡單的識別特徵是它的相對大小和複雜性：有些細胞比其他的大，也有些有著更高的內部複雜性（即是具有更多細胞組件，譬如細胞器或顆粒等）。除了細胞大小和複雜性外，我們還可以以該類細胞傾向產生的蛋白質來識別細胞。這些蛋白質可以位於細胞表面，也可以像轉基因熒光標記一樣在細胞質內。那麼，只要我們能夠識別這些特徵，我們就應該能夠識別細胞的類型。舉個例子，我們可以透過辨認 T 細胞上所表達的表面蛋白是 CD4還是CD8來區分兩種主要的成熟 T 細胞：輔助T細胞和殺手T細胞（它們又分別稱為CD4+ 細胞和CD8+ 細胞）（註一）。

下一個問題，當然，是我們如何識別這些細胞特徵？大小和複雜性可以用激光來測定（稍後會詳細介紹），但獨特的蛋白質標記是更難辨識的。解決這個問題的方法就是用上抗體 — 抗體是一種能專一地與特定分子結合的蛋白質。我們可以選擇一些能夠辨認特定細胞類型表面蛋白的抗體，然後在這些抗體上加上獨特的熒光團（fluorophore），那是一種能在被激光照射並激發後以更長的波長發出熒光訊號的化合物。科學家因此可以先利用這些與熒光團結合的抗體來標記細胞，然後才應用流式細胞技術識別細胞類型。再以成熟 T 細胞為例，經過改造而帶有熒光團的抗體可以與細胞表面的CD8 蛋白結合，從而把CD8+ 細胞（殺手 T 細胞）「染色」。在激光激發下，熒光團會發出獨特的熒光信號，使CD8+ 細胞可以從其他細胞類型當中被區分出來。

正如前文所討論的，科學家靠細胞表面或細胞質內的獨特標記來識別特定類型的細胞。了解到這些背景知識後，我們現在可以開始介紹流式細胞技術的過程。首先，將生物樣本以單細胞懸浮液的形式（即在培養液中自由漂浮的單細胞；如果是組織中連接著的細胞則需要先被分離）載入流式細胞儀。然後將懸浮液聚焦成單一液體流，就像水從水龍頭以單一水柱的形式流出一樣，細胞隨即會被排列成單行，一個一個地通過激光陣列，感應器陣列會偵測所有產生的信號。激光束中的光子能不受阻礙地穿過細胞周圍的液體，但當遇到細胞時，光子會被迫偏離其原來的軌道，這種光的轉向稱為散射。前向散射（forward scatter）量度與細胞膜接觸後輕微繞射的光量，用於量度細胞的相對大小；細胞越大，前向散射越多 [2, 3]。另一方面，側向散射（side scatter）量度與細胞內部細胞器或顆粒接觸後以更大角度反射的光量，用作量度細胞相對的內部複雜性；細胞內的物體越多，側向散射就會越多 [2, 3]。此外，激光還可以激發與抗體結合的任何熒光團，讓我們能檢測到已標記的細胞。這樣，細胞就能被有效地識別了。

除了識別，流式細胞技術的一個擴展功能是細胞分類。這是通過振動細胞儀中的液體流，使液體分成大多只含有單個細胞的液滴而達成的。然後，我們根據之前測試過的細胞特性（例如熒光強度）賦予每個含有細胞的液滴不同的電荷。帶有不同電荷的液滴會在熒光流式細胞分選儀（fluorescence-activated cell sorting (FACS) machine）中轉向並進入機器內的不同容器，令目標細胞群可以被保留作分析或進一步實驗，這些細胞可以是成功轉化並表達熒光標記的細胞，或是表達某種蛋白標記的腫瘤細胞或白血細胞（包括 B 細胞和 T 細胞）[4]。

在流式細胞技術被發明之前，從含有各種各樣細胞的細胞群中準確識別特定細胞幾乎是不可能的事，更不用說把它們從中分離。現在，流式細胞技術已成為一般和臨床實驗室常見而不可或缺的技術。

1 HIV 病毒攻擊 CD4+ T 細胞。

參考資料：

[1] Herzenberg, L. A., Parks, D., Sahaf, B., Perez, O., Roederer, M., & Herzenberg, L. A. (2002). The History and Future of the Fluorescence Activated Cell Sorter and Flow Cytometry: A View from Stanford. Clinical Chemistry, 48(10), 1819–1827.

[2] Adams, D. (n.d.). LESSON 1: FLOW CYTOMETRY SIGNALS (SCATTER AND FLUORESCENT). Retrieved from https://brcf.medicine.umich.edu/cores/flow-cytometry/training-education/lessons/lesson-one-flow-cytometry-signals-scatter-and-fluorescent/

[3] Bakke, A. C. (2001). The Principles of Flow Cytometry. Laboratory Medicine, 32(4), 207­–211.

[4] McKinnon K. M. (2018). Flow Cytometry: An Overview. Current protocols in immunology, 120, 5.1.1–5.1.11. doi:10.1002/cpim.40