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）全自動干細胞誘導培養(yǎng)設(shè)備研制項目團隊研制的全自動干細胞誘導培養(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)范化誘導及擴增的干細胞誘導生產(chǎn)系統(tǒng)。該設(shè)備將實現(xiàn)全自動化、規(guī)?；?、智能化的誘導干細胞制備，對再生醫(yī)學及其相關(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)范化與標準化，已成干細胞發(fā)展瓶頸

干細胞是具有自我復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)學界稱為“萬能細胞”。干細胞在基礎(chǔ)研究和轉(zhuǎn)化醫(yī)學應用中具有重要意義，在再生醫(yī)學、疾病模型、藥物篩選、精準醫(yī)學等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。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，誘導多能干細胞已成為相關(guān)醫(yī)學研究的核心工具，用于新藥研發(fā)、神經(jīng)損傷修復、心肌細胞修復、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，當前干細胞誘導、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)干細胞誘導流程的規(guī)范化與標準化；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，是誘導多能干細胞技術(shù)走向?qū)嶋H應用亟須突破的瓶頸。

在此背景下，財政部支持的國家重大科研裝備研制項目“全自動干細胞誘導培養(yǎng)設(shè)備研制”，于2013年立項，由廣州生物院負責承擔。項目團隊以創(chuàng)新技術(shù)為核心，利用院內(nèi)國際領(lǐng)先的誘導多能干細胞技術(shù)、干細胞誘導分化技術(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?shù)臏囟?、濕度和氣體環(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?！?nbsp;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，預測細胞成長趨勢，自動挑選出符合要求的成熟誘導多能干細胞?！?/p>

改善了我國高端生命科學儀器裝備依靠進口的局面

全自動干細胞誘導培養(yǎng)設(shè)備從誘導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)誘導技術(shù)體系，利用人工智能機器學習輔助無損無標記分析手段，建立細胞極性變化為基礎(chǔ)的命運調(diào)控的Hiden Markov Model數(shù)學模型，從而指導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>

全自動干細胞誘導培養(yǎng)設(shè)備第一次實現(xiàn)了以機器學習及人工智能算法為判定的細胞重編程命運的自動化誘導，整機技術(shù)及識別核心算法的應用已達國際領(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多能干細胞在再生醫(yī)學研究領(lǐng)域的實際應用，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)研究和臨床應用的快速發(fā)展，為干細胞再生醫(yī)學及精準醫(yī)療的研究奠定基礎(chǔ)?！?/p>

據(jù)了解，目前各醫(yī)院細胞治療臨床應用迫切需要干細胞制備裝置，全自動干細胞誘導培養(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，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。