我國干細(xì)胞制備領(lǐng)域迎來了重大突破。今天上午，由中科院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院承擔(dān)的國家重大科研裝備研制項(xiàng)目“全自動干細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)設(shè)備”通過了國家綜合驗(yàn)收，標(biāo)志全球首臺自動化無人堅(jiān)守、應(yīng)用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化干細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)設(shè)備誕生。
該設(shè)備為我國全自主知識產(chǎn)權(quán)，將改善我國高端生命科學(xué)儀器裝備幾乎依靠歐美進(jìn)口的局面，為降低細(xì)胞的生產(chǎn)成本、提高細(xì)胞制備質(zhì)量，以及更廣泛地服務(wù)臨床，奠定了裝備基礎(chǔ)。
人工操作成為干細(xì)胞發(fā)展瓶頸
干細(xì)胞是具有自我復(fù)制功能及多向分化潛能的細(xì)胞，在特定條件下能再生成人體的各種細(xì)胞、組織或器官，醫(yī)學(xué)界稱為“萬能細(xì)胞”，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。
基于常規(guī)干細(xì)胞存在的不足，干細(xì)胞研究興起了誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（IPSC）新領(lǐng)域的發(fā)展，從而解決了干細(xì)胞作為種子細(xì)胞的來源問題?！澳壳?，干細(xì)胞誘導(dǎo)、培養(yǎng)及篩選過程均只能依靠人工操作完成?！眹胰f人計劃拔尖人才、“973”計劃青年科學(xué)家首席陳捷凱說，“培養(yǎng)一個干細(xì)胞IPSC專家，需要國家大量投入。從誘導(dǎo)、篩選到提取干細(xì)胞，至少需要一萬小時的訓(xùn)練，并且這些經(jīng)驗(yàn)與方法很難傳授和復(fù)制?！?/p>
在陳捷凱看來，人工操作效率低、成本高、通量低、安全性差等問題進(jìn)一步限制了干細(xì)胞在再生醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域中的普遍應(yīng)用。因此，如何實(shí)現(xiàn)干細(xì)胞自動化規(guī)?；木|(zhì)培養(yǎng)與擴(kuò)增，避免批次不統(tǒng)一、質(zhì)量不均一等安全性問題，全自動化的細(xì)胞制備是iPSC技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用亟需突破的瓶頸。
流程自動化想法“非常勇敢”
為滿足國家戰(zhàn)略的需求，針對干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)發(fā)展技術(shù)需求及干細(xì)胞裝備研發(fā)現(xiàn)狀，廣州生物院以原創(chuàng)新技術(shù)為核心，利用院內(nèi)國際領(lǐng)先的iPSC技術(shù)、干細(xì)胞誘導(dǎo)分化技術(shù)等研究成果，結(jié)合自動化技術(shù)，研制出國際首臺干細(xì)胞自動化、智能化誘導(dǎo)培養(yǎng)設(shè)備。
廣州生物院黨委副書記段子淵說：“項(xiàng)目的建立要追溯到2012年，干細(xì)胞研究在中國慢慢得到重視。當(dāng)時提出將整個流程自動化，非常有前瞻性，非常勇敢。”
經(jīng)過多年集智攻關(guān)，由張驍研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)攻克了八項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其中包括兩項(xiàng)核心技術(shù)，并取得多項(xiàng)創(chuàng)新性成果。他們建立了從細(xì)胞培養(yǎng)、顯微在線觀測、移液換液、算法識別、細(xì)胞挑取及設(shè)備控制的裝備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了iPSC自動化誘導(dǎo)培養(yǎng)、擴(kuò)增、成像、移液換液、挑取細(xì)胞，下游分化等功能。
華大基因研究院、華東理工大學(xué)等多家用戶單位對全自動干細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)設(shè)備進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了設(shè)備進(jìn)行干細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)的可行性。
挑取干細(xì)胞效率成倍提升
這臺全自動設(shè)備到底有多牛？廣州生物院副院長潘光錦研究員強(qiáng)調(diào)，將干細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)流程自動化，其意義不僅是簡單節(jié)約人力，而是推動我國干細(xì)胞基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用發(fā)展的“必經(jīng)之路”。
潘光錦說，用手工提取干細(xì)胞，錯誤率很高，提取100個可能只有10個是真正有價值的干細(xì)胞。而機(jī)器利用人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)輔助無損無標(biāo)記分析手段，一次可以輕松提取幾百個，且正確率奇高。
從操作效率看，一個經(jīng)驗(yàn)豐富的專家挑取20個細(xì)胞，需要全神貫注操作兩三個小時；而機(jī)器一次操作168個（7×24）樣本，也只需要三個小時。潘光錦告訴記者，像廣州生物院這樣國內(nèi)非常熟練的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，在“比較幸運(yùn)”的前提下，做一次干細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)至少需要一個月，而用這臺設(shè)備，只需要三周就可以完成。
陳捷凱表示，不僅在“量”上沒有可比性，就算是“質(zhì)”，像他這樣業(yè)內(nèi)的頂尖大拿也不如這臺先進(jìn)設(shè)備?！案杉?xì)胞培養(yǎng)提取需要對細(xì)胞進(jìn)行非常精確的識別和挑選。人會有疲勞的時候，情緒會出現(xiàn)波動，但機(jī)器不會出錯。”陳捷凱說，“干細(xì)胞的使用方向是醫(yī)學(xué)用途，需要穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)出。因此，這臺設(shè)備為再生醫(yī)學(xué)及精準(zhǔn)醫(yī)療的研究奠定了裝備基礎(chǔ)，具有強(qiáng)大的市場競爭力和廣闊的市場前景?！?/p>
作者：郭超豪
圖：謝震霖
編輯：朱穎婕
責(zé)任編輯：許琦敏
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