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广州生物院:“机器代人”有望实现干细胞标准化“生产”

2018-06-20 08:54 来源:南方日报 傅鹏

科研人员操作全球首台自动化干细胞诱导培养设备。受访者供图

    

    用自己“生产”的新器官替换已“老化”的器官,这或许会在未来实现。

    

    如今,随着细胞“变身”奥秘的揭开,科学家们正在探索利用诱导多能干细胞(iPSC),实现再生新的组织和器官,为疾病治疗和再生医学提供“种子”细胞来源。随着相关研究的兴起,自动化、规模化、标准化获得干细胞的需求日益旺盛,但传统的人工操作面临“产能”不足,制约着干细胞在再生医学研究领域中的普遍应用。

    

    从利用维生素C提高体细胞“变身”效率到化学小分子诱导多能干细胞的新方法,中国科学院广州生物医药与健康研究院(简称“广州生物院”)成为这一领域的“黑马”。在技术上不断取得突破的同时,今年5月全球首台自动化干细胞诱导培养设备也诞生在广州生物院。该设备降低干细胞的生产成本的同时提高了细胞制备质量,这一“生物智造”也为实现干细胞的标准化“生产”提供了设备支持。

    科研人员操作全球首台自动化干细胞诱导培养设备。受访者供图

    

    探索细胞“逆生长”

    将尿液“变废为宝”为干细胞

    

    随着老龄化的加剧,帕金森病、老年痴呆症等疾病成为医学领域新的难题。“这些疾病的本质其实是细胞衰老、死亡以致丧失功能,干细胞与再生医学方面的研究将探索出行之有效的解决办法。” 广州生物院副院长潘光锦说。

    

    对此,作为 “万用细胞”的干细胞,其临床应用价值被寄予厚望。原因在于其可以“七十二变”,不仅可以自我复制,还可以在相应的条件下“变身”为不同种类、具有不同功能的细胞。在未来应用上,即可通过干细胞培育出器官组织等,以替换、治疗损伤的、自身病变或衰老的器官组织。

    

    干细胞如此“神通广大”,其获取成为医学界关注的重点。2006年,日本科学家山中伸弥的团队把4个转录因子通过逆转录病毒载体转入小鼠的体细胞,使其变成多能干细胞(iPS细胞),避免了此前研究提出的使用人体胚胎提取干细胞所面临的伦理道德问题。该团队因此也获得了2012年的诺贝尔生理或医学奖。

    

    但这一方法也不完美,存在致癌隐患。对此,后来的科学家们利用化学小分子替代,诱导出了多能干细胞,尽管安全性有了保障,步骤多、时间长、效率低、机理不清楚等问题也成为新的瓶颈。

    

    经过多年研究,来自广州生物院的裴端卿团队“异军突起”。该团队通过在培养基中加入维生素C,将体细胞诱变成多能干细胞的效率从十万分之一提升到十分之一。该成果于2009年在国际干细胞权威杂志Cell Stem Cell上发表,也是中国的相关科研成果首次获此殊荣。

    

    经过更深入地研究,裴端卿团队发现从体细胞“逆生长”为多能干细胞,其还需经过上皮细胞这一中间状态。顺着这个线索,2011年,该团队再次取得突破,在人的尿液里找到了合适的上皮细胞,并诱导出多能干细胞,将其培育为神经干细胞并治疗了小鼠的神经疾病。

    

    今年,该团队再接再厉开发出一套高效、简单的化学小分子诱导多能干细胞的方法, 简称为CIP(Chemical Induction of Pluripotency),即化合物诱导干细胞多能性。“这为改变细胞命运提供新的思路和方向。” 潘光锦说。

    科研人员进行细胞操作实验。受访者供图

    

    让“养”干细胞不再难

    全球首台自动化干细胞诱导培养设备诞生

    

    诱导多能干细胞这一新领域的发展,解决了干细胞作为种子细胞的来源问题。但干细胞在再生医学研究领域中的普遍应用,需要充足的诱导多能干细胞的供给,供给不足让相关研究捉襟见肘。

    

    为了获得实验所需的大量诱导多能干细胞,科研人员只能花费诸多心思去“养”细胞。高成本外,效率低和安全性也掣肘干细胞的培养,由于缺乏对细胞命运变化、iPSC克隆筛选和扩增的实时及定量监控,干细胞诱导流程的规范化与标准化难以实现,特别是将来应用于临床,存在质量不均等安全问题。此外,潘光锦表示,经过长期技术训的练科研人员才能上岗,高技术门槛导致了科研人员培养的高成本。

    

    针对自动化、规模化、标准化获得干细胞的需求,今年5月15日,广州生物院承担的国家重大科研装备研制项目“全自动干细胞诱导培养设备研制”顺利通过验收,这标志全球首台自动化干细胞诱导培养设备诞生。

    

    潘光锦告诉记者,研发团队针对实际需求组成了“跨界”的技术团队,历时4年攻关打造了该设备,不仅实现了“机器代人”,更是实现了人工操作无法实现的干细胞标准化“生产”。如针对干细胞识别难的问题,该设备不仅能通过图像识别快速找到培养基里“藏”着的干细胞,也能在识别的过程中不断学习,进一步提高精准度。

    

    项目技术验收专家表示,该设备首次实现了基于机器学习的自动化识别以及诱导培养,整机技术及识别核心算法的应用已达国际“并跑”,个别关键技术实现了“领跑”, 填补了国内在该领域的多项空白,也改善了国内高端生命科学仪器装备依靠欧美进口的局面。

    

    “现在有了全自动装备,一次可以干相当于24个技术员的活,而且识别率高、稳定性强。” 潘光锦说。

    【策划】陈思勤

    【记者】傅鹏  

    【校对】符如瑜

编辑: 邓红英

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