干細胞，養(yǎng)起來更簡單(解碼·發(fā)現(xiàn))

　　5月15日，中科院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院(簡稱廣州生物院)全自動干細胞誘導(dǎo)培養(yǎng)設(shè)備研制項目團隊研制的全自動干細胞誘導(dǎo)培養(yǎng)設(shè)備順利通過驗收，這是世界上首臺全自動、大規(guī)模、規(guī)范化誘導(dǎo)及擴增的干細胞誘導(dǎo)生產(chǎn)系統(tǒng)。該設(shè)備將實現(xiàn)全自動化、規(guī)?；?、智能化的誘導(dǎo)干細胞制備，對再生醫(yī)學(xué)及其相關(guān)的細胞治療領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。

　　人工操作難以實現(xiàn)規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化，已成干細胞發(fā)展瓶頸

　　干細胞是具有自我復(fù)制功能及多向分化潛能的細胞，在特定條件下能再生成人體的各種細胞、組織或器官，醫(yī)學(xué)界稱為“萬能細胞”。干細胞在基礎(chǔ)研究和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有重要意義，在再生醫(yī)學(xué)、疾病模型、藥物篩選、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，由于常規(guī)的干細胞存在量不足，干細胞研究興起了誘導(dǎo)多能干細胞這一領(lǐng)域的發(fā)展，試圖解決干細胞作為種子細胞的來源問題。

　　“科學(xué)家發(fā)現(xiàn)如果將人的體細胞進行處理，可以獲得一種新的干細胞，這種干細胞被稱為誘導(dǎo)多能干細胞。它在形態(tài)、基因和蛋白表達、表觀遺傳修飾狀態(tài)、細胞倍增能力、類胚體和畸形瘤生成能力、分化能力等都與胚胎干細胞極為相似，是胚胎干細胞的完美替代細胞?！睆V州生物院研究員潘光錦說，“目前，誘導(dǎo)多能干細胞已成為相關(guān)醫(yī)學(xué)研究的核心工具，用于新藥研發(fā)、神經(jīng)損傷修復(fù)、心肌細胞修復(fù)、組織器官再生或移植等領(lǐng)域。”

　　為了獲得實驗所需的大量誘導(dǎo)多能干細胞，科研人員需要制備并讓其大量增殖，也就是養(yǎng)細胞。然而，當(dāng)前干細胞誘導(dǎo)、培養(yǎng)及篩選過程均只能依靠人工操作完成，存在很多的不足。潘光錦說：“一方面，由于缺乏對細胞命運變化及誘導(dǎo)多能干細胞克隆篩選和擴增的實時及定量監(jiān)控，難以實現(xiàn)干細胞誘導(dǎo)流程的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化;另一方面，人工操作也存在效率低、成本高、通量低、安全性差等問題?！?p>　　因此，如何實現(xiàn)干細胞自動化規(guī)?；木|(zhì)培養(yǎng)與擴增，避免這些問題，是誘導(dǎo)多能干細胞技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用亟須突破的瓶頸。

　　在此背景下，財政部支持的國家重大科研裝備研制項目“全自動干細胞誘導(dǎo)培養(yǎng)設(shè)備研制”，于2013年立項，由廣州生物院負責(zé)承擔(dān)。項目團隊以創(chuàng)新技術(shù)為核心，利用院內(nèi)國際領(lǐng)先的誘導(dǎo)多能干細胞技術(shù)、干細胞誘導(dǎo)分化技術(shù)等研究成果，并結(jié)合自動化技術(shù)，歷時4年，攻克8項關(guān)鍵技術(shù)，取得多項創(chuàng)新性成果，成功研制國際首臺全自動干細胞誘導(dǎo)培養(yǎng)設(shè)備。

　　廣州生物院研究員張驍說：“有了這臺設(shè)備后，從事誘導(dǎo)多能干細胞的科研人員不再靠人工操作養(yǎng)細胞，甚至不具備養(yǎng)細胞技術(shù)的人只要靠這臺儀器就能獲得誘導(dǎo)多能干細胞?！?p>　　可實現(xiàn)全過程實時追蹤監(jiān)測，并提高干細胞的制備質(zhì)量

　　全自動干細胞誘導(dǎo)培養(yǎng)設(shè)備占地25平方米，由自動化培養(yǎng)箱系統(tǒng)、自動化液體處理系統(tǒng)、顯微在線觀測系統(tǒng)、高精度克隆挑取系統(tǒng)、培養(yǎng)皿傳送系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)六大模塊組成。

　　據(jù)科研人員介紹，干細胞的重編程是從一個個體化的矩陣培養(yǎng)箱開始，培養(yǎng)箱可并行培養(yǎng)24份個體化的誘導(dǎo)多能干細胞。然后，再由自動傳送臂在b級環(huán)境下將 6孔細胞培養(yǎng)板從培養(yǎng)箱傳送至操作艙中。隨后，培養(yǎng)板就被置入成像區(qū)。接下來，擁有1.2微米分辨率的顯微成像系統(tǒng)就會對其成像，整個過程不超過10分鐘。

　　“獨立矩陣式培養(yǎng)箱主要是為細胞培養(yǎng)提供適當(dāng)?shù)臏囟取穸群蜌怏w環(huán)境，保證細胞的培養(yǎng)處于合適的環(huán)境，同時也保障個體細胞間不會交叉污染?！? 張驍說，“人養(yǎng)細胞，不會全程監(jiān)測細胞狀態(tài)。而這臺設(shè)備能全天候堅守，可以通過手機APP端監(jiān)測，并及時完成移液、換液等操作。細胞的培養(yǎng)時間也縮短了。它還能自動獲取細胞成長信息，預(yù)測細胞成長趨勢，自動挑選出符合要求的成熟誘導(dǎo)多能干細胞?！?p>　　改善了我國高端生命科學(xué)儀器裝備依靠進口的局面

　　全自動干細胞誘導(dǎo)培養(yǎng)設(shè)備從誘導(dǎo)多能干細胞重編程全過程研究出發(fā)，建立全程自動化細胞培養(yǎng)誘導(dǎo)技術(shù)體系，利用人工智能機器學(xué)習(xí)輔助無損無標(biāo)記分析手段，建立細胞極性變化為基礎(chǔ)的命運調(diào)控的Hiden Markov Model數(shù)學(xué)模型，從而指導(dǎo)細胞重編程理論在干細胞獲取領(lǐng)域從理論模型到制備整機技術(shù)的全線突破，實現(xiàn)重編程多能細胞暨干細胞的制備。

　　張驍說：“該自動化智能技術(shù)可實現(xiàn)每月24人次為周期的GMP級別的細胞制備通量，為我國的生物先進制造提供了上游細胞來源的智能保障?！?p>　　全自動干細胞誘導(dǎo)培養(yǎng)設(shè)備第一次實現(xiàn)了以機器學(xué)習(xí)及人工智能算法為判定的細胞重編程命運的自動化誘導(dǎo)，整機技術(shù)及識別核心算法的應(yīng)用已達國際領(lǐng)先水平。

　　廣州生物院研究員裴端卿表示，設(shè)備的成功研制，標(biāo)志著我國在干細胞裝備領(lǐng)域的自主研發(fā)取得新的突破，改善了我國高端生命科學(xué)儀器裝備依靠歐美進口的局面，其成果填補了國內(nèi)在該領(lǐng)域的多項空白。

　　項目技術(shù)驗收專家認為，該項目研究成果涵蓋基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和開發(fā)研究全過程的生物技術(shù)自主創(chuàng)新體系，這將為實現(xiàn)本領(lǐng)域整體“并跑”、部分“領(lǐng)跑”，初步建立系統(tǒng)的生物技術(shù)創(chuàng)新體系，突破一批核心關(guān)鍵技術(shù)難點作出貢獻。

　　中國科學(xué)院微電子所研究員夏洋說：“該設(shè)備的成功研制將促進誘導(dǎo)多能干細胞在再生醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的實際應(yīng)用，推進我國在干細胞裝備領(lǐng)域的自主研發(fā)進程，推動我國干細胞基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用的快速發(fā)展，為干細胞再生醫(yī)學(xué)及精準(zhǔn)醫(yī)療的研究奠定基礎(chǔ)?！?p>　　據(jù)了解，目前各醫(yī)院細胞治療臨床應(yīng)用迫切需要干細胞制備裝置，全自動干細胞誘導(dǎo)培養(yǎng)設(shè)備已逐步在各研究單位或一級醫(yī)院研究中心推廣。該設(shè)備降低了人為干預(yù)，實現(xiàn)多人份、低成本、高品質(zhì)、一體化的干細胞生產(chǎn)，社會效益巨大。(記者 吳月輝)