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人民日报 2018年05月16日 星期三
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世界首台全自动化干细胞诱导培养设备通过验收

干细胞,养起来更简单(解码·发现)

本报记者 吴月辉

《 人民日报 》( 2018年05月16日   12 版)

  5月15日,中科院广州生物医药与健康研究院(简称广州生物院)全自动干细胞诱导培养设备研制项目团队研制的全自动干细胞诱导培养设备顺利通过验收,这是世界上首台全自动、大规模、规范化诱导及扩增的干细胞诱导生产系统。该设备将实现全自动化、规模化、智能化的诱导干细胞制备,对再生医学及其相关的细胞治疗领域产生重大影响。

  人工操作难以实现规范化与标准化,已成干细胞发展瓶颈

  干细胞是具有自我复制功能及多向分化潜能的细胞,在特定条件下能再生成人体的各种细胞、组织或器官,医学界称为“万能细胞”。干细胞在基础研究和转化医学应用中具有重要意义,在再生医学、疾病模型、药物筛选、精准医学等领域具有广阔的应用前景。但是,由于常规的干细胞存在量不足,干细胞研究兴起了诱导多能干细胞这一领域的发展,试图解决干细胞作为种子细胞的来源问题。

  “科学家发现如果将人的体细胞进行处理,可以获得一种新的干细胞,这种干细胞被称为诱导多能干细胞。它在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等都与胚胎干细胞极为相似,是胚胎干细胞的完美替代细胞。”广州生物院研究员潘光锦说,“目前,诱导多能干细胞已成为相关医学研究的核心工具,用于新药研发、神经损伤修复、心肌细胞修复、组织器官再生或移植等领域。”

  为了获得实验所需的大量诱导多能干细胞,科研人员需要制备并让其大量增殖,也就是养细胞。然而,当前干细胞诱导、培养及筛选过程均只能依靠人工操作完成,存在很多的不足。潘光锦说:“一方面,由于缺乏对细胞命运变化及诱导多能干细胞克隆筛选和扩增的实时及定量监控,难以实现干细胞诱导流程的规范化与标准化;另一方面,人工操作也存在效率低、成本高、通量低、安全性差等问题。”

  因此,如何实现干细胞自动化规模化的均质培养与扩增,避免这些问题,是诱导多能干细胞技术走向实际应用亟须突破的瓶颈。

  在此背景下,财政部支持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”,于2013年立项,由广州生物院负责承担。项目团队以创新技术为核心,利用院内国际领先的诱导多能干细胞技术、干细胞诱导分化技术等研究成果,并结合自动化技术,历时4年,攻克8项关键技术,取得多项创新性成果,成功研制国际首台全自动干细胞诱导培养设备。

  广州生物院研究员张骁说:“有了这台设备后,从事诱导多能干细胞的科研人员不再靠人工操作养细胞,甚至不具备养细胞技术的人只要靠这台仪器就能获得诱导多能干细胞。”

  可实现全过程实时追踪监测,并提高干细胞的制备质量

  全自动干细胞诱导培养设备占地25平方米,由自动化培养箱系统、自动化液体处理系统、显微在线观测系统、高精度克隆挑取系统、培养皿传送系统、设备控制系统六大模块组成。

  据科研人员介绍,干细胞的重编程是从一个个体化的矩阵培养箱开始,培养箱可并行培养24份个体化的诱导多能干细胞。然后,再由自动传送臂在b级环境下将6孔细胞培养板从培养箱传送至操作舱中。随后,培养板就被置入成像区。接下来,拥有1.2微米分辨率的显微成像系统就会对其成像,整个过程不超过10分钟。

  “独立矩阵式培养箱主要是为细胞培养提供适当的温度、湿度和气体环境,保证细胞的培养处于合适的环境,同时也保障个体细胞间不会交叉污染。” 张骁说,“人养细胞,不会全程监测细胞状态。而这台设备能全天候坚守,可以通过手机APP端监测,并及时完成移液、换液等操作。细胞的培养时间也缩短了。它还能自动获取细胞成长信息,预测细胞成长趋势,自动挑选出符合要求的成熟诱导多能干细胞。”

  改善了我国高端生命科学仪器装备依靠进口的局面

  全自动干细胞诱导培养设备从诱导多能干细胞重编程全过程研究出发,建立全程自动化细胞培养诱导技术体系,利用人工智能机器学习辅助无损无标记分析手段,建立细胞极性变化为基础的命运调控的Hiden Markov Model数学模型,从而指导细胞重编程理论在干细胞获取领域从理论模型到制备整机技术的全线突破,实现重编程多能细胞暨干细胞的制备。

  张骁说:“该自动化智能技术可实现每月24人次为周期的GMP级别的细胞制备通量,为我国的生物先进制造提供了上游细胞来源的智能保障。”

  全自动干细胞诱导培养设备第一次实现了以机器学习及人工智能算法为判定的细胞重编程命运的自动化诱导,整机技术及识别核心算法的应用已达国际领先水平。

  广州生物院研究员裴端卿表示,设备的成功研制,标志着我国在干细胞装备领域的自主研发取得新的突破,改善了我国高端生命科学仪器装备依靠欧美进口的局面,其成果填补了国内在该领域的多项空白。

  项目技术验收专家认为,该项目研究成果涵盖基础研究、应用研究和开发研究全过程的生物技术自主创新体系,这将为实现本领域整体“并跑”、部分“领跑”,初步建立系统的生物技术创新体系,突破一批核心关键技术难点作出贡献。

  中国科学院微电子所研究员夏洋说:“该设备的成功研制将促进诱导多能干细胞在再生医学研究领域的实际应用,推进我国在干细胞装备领域的自主研发进程,推动我国干细胞基础研究和临床应用的快速发展,为干细胞再生医学及精准医疗的研究奠定基础。”

  据了解,目前各医院细胞治疗临床应用迫切需要干细胞制备装置,全自动干细胞诱导培养设备已逐步在各研究单位或一级医院研究中心推广。该设备降低了人为干预,实现多人份、低成本、高品质、一体化的干细胞生产,社会效益巨大。

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