培養幹細胞，原來還能這樣操作

“裝置為我國全自主智慧財產權，首次實現了以機器學習及人工智慧演算法為邏輯判定的細胞重程式設計命運的自動化誘導。裝置的成功研製，改善了我國高階生命科學儀器裝備幾乎依靠歐美進口的局面，其成果展示了我國在細胞製備領域高階科研裝備的先進性；為降低細胞的生產成本、提高細胞製備質量、更廣泛地服務臨床奠定了裝備基礎。”中科院廣州生物醫藥與健康研究院（以下簡稱廣州生物院）副院長潘光錦口中的裝置，指的是該院全自動幹細胞誘導培養裝置。不久前，這套裝置順利通過了最後驗收。這也標誌著全球首臺自動化無人監守、應用深度神經網路的智慧化幹細胞誘導培養裝置誕生。

人工操作難規範，幹細胞研究遇瓶頸

幹細胞是具有自我複製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，在醫學界有“萬能細胞”之稱。幹細胞在基礎研究和轉化醫學應用中具有重要意義，在再生醫學、疾病模型、藥物篩選、精準醫學等領域的應用前景也十分廣闊。但由於常規幹細胞存在不足的限制，誘導多能幹細胞這一干細胞研究的新領域逐漸興起，研究人員試圖通過這一方式解決幹細胞作為種子細胞的來源問題。

“誘導多能幹細胞的形態、基因和蛋白表達、表觀遺傳修飾狀態、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幹細胞極為相似，是胚胎幹細胞的完美替代細胞。”廣州生物院黨委副書記、副院長段子淵介紹。目前，誘導多能幹細胞的研究廣泛應用於新藥研發、神經損傷修復、心肌細胞修復、組織器官再生或移植等再生醫療研究領域。

在相當長的一段時間裡，幹細胞誘導、培養及篩選過程均只能依靠人工操作完成。但人工操作一方面缺乏對細胞命運變化及克隆篩選和擴增的實時及定量監控，難以實現幹細胞誘導流程的規範化與標準化，另一方面還面臨效率低、成本高、通量低、安全性差等諸多問題。因此，如何實現幹細胞自動化規模化的均質培養與擴增，避免批次不統一、質量不均一等問題，是誘導多能幹細胞技術走向實際應用亟須突破的瓶頸。

“質”“量”齊飛躍，標準高效一機兼顧

在財政部國家重大科研裝備研製專案的資金支援下，廣州生物院的“全自動幹細胞誘導培養裝置研製”專案以原創新技術為核心，利用院內國際領先的幹細胞誘導分化技術等研究成果，結合自動化技術，歷時4年，攻克8項關鍵技術，研製出了國際首臺幹細胞自動化、智慧化誘導培養裝置。

全自動幹細胞誘導培養裝置佔地25平方米，由自動化培養箱系統、自動化液體處理系統、顯微線上觀測系統、高精度克隆挑取系統、培養皿傳送系統、裝置控制系統六大模組組成。

據科研人員介紹，幹細胞的重程式設計是從一個個體化的矩陣培養箱開始，培養箱可並行培養24份個體化的誘導多能幹細胞。然後，再由自動傳送臂在b級環境下將6孔細胞培養板從培養箱傳送至操作艙中。隨後，培養板就被置入成像區。接下來，擁有1.2微米解析度的顯微成像系統就會對其成像，整個過程不超過10分鐘。

“有了這臺裝置後，從事誘導多能幹細胞的科研人員不再僅靠人工操作養細胞，甚至不具備養細胞技術的人，只要靠這臺儀器就能獲得誘導多能幹細胞。”廣州生物院研究員陳捷凱表示。

推進幹細胞裝備領域自主研發程式

“將幹細胞誘導培養流程自動化，其意義不僅是簡單節約人力，更是推動我國幹細胞基礎研究和臨床應用發展的必經之路。”廣州生物院副院長潘光錦這樣形容這一裝置的科學意義。全自動幹細胞誘導培養裝置第一次實現了以機器學習及人工智慧演算法為判定的細胞重程式設計命運的自動化誘導，整機技術及識別核心演算法的應用已達國際領先水平。

針對自動化、規模化、標準化獲得幹細胞的需求，專案組完成了全自動幹細胞誘導培養裝置研製工作，裝置的所有技術指標均達到實施方案規定的考核指標要求。在裝置的綜合驗收中，由中科院院士徐濤領銜的綜合驗收專家組在驗收中對裝置作出上述評價。

“該裝置的成功研製將促進誘導多能幹細胞在再生醫學研究領域的實際應用，推進我國在幹細胞裝備領域的自主研發程式，推動我國幹細胞基礎研究和臨床應用的快速發展，為幹細胞再生醫學及精準醫療的研究奠定基礎。”中國科學院微電子所研究員夏洋表示。

原文釋出時間為：2018-07-19
本文作者：吳春燕 王忠耀
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