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幹細胞 養起來更簡單

2018-05-16 09:42:03|來源:人民日報|編輯:于蘇燕 |責編:韓東林

  5月15日,中科院廣州生物醫藥與健康研究院(簡稱廣州生物院)全自動幹細胞誘導培養設備研製項目團隊研製的全自動幹細胞誘導培養設備順利通過驗收,這是世界上首臺全自動、大規模、規範化誘導及擴增的幹細胞誘導生產系統。該設備將實現全自動化、規模化、智慧化的誘導幹細胞製備,對再生醫學及其相關的細胞治療領域產生重大影響。

  人工操作難以實現規範化與標準化,已成幹細胞發展瓶頸

  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,醫學界稱為“萬能細胞”。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、精準醫學等領域具有廣闊的應用前景。但是,由於常規的幹細胞存在量不足,幹細胞研究興起了誘導多能幹細胞這一領域的發展,試圖解決幹細胞作為種子細胞的來源問題。

  “科學家發現如果將人的體細胞進行處理,可以獲得一種新的幹細胞,這種幹細胞被稱為誘導多能幹細胞。它在形態、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。”廣州生物院研究員潘光錦說,“目前,誘導多能幹細胞已成為相關醫學研究的核心工具,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領域。”

  為了獲得實驗所需的大量誘導多能幹細胞,科研人員需要製備並讓其大量增殖,也就是養細胞。然而,當前幹細胞誘導、培養及篩選過程均只能依靠人工��作完成,存在很多的不足。潘光錦說:“一方面,由於缺乏對細胞命運變化及誘導多能幹細胞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,人工操作也存在效率低、成本高、通量低、安全性差等問題。”

  因此,如何實現幹細胞自動化規模化的均質培養與擴增,避免這些問題,是誘導多能幹細胞技術走向實際應用亟須突破的瓶頸。

  在此背景下,財政部支援的國家重大科研裝備研製項目“全自動幹細胞誘導培養設備研製”,于2013年立項,由廣州生物院負責承擔。項目團隊以創新技術為核心,利用院內國際領先的誘導多能幹細胞技術、幹細胞誘導分化技術等研究成果,並結合自動化技術,歷時4年,攻克8項關鍵技術,取得多項創新性成果,成功研製國際首臺全自動幹細胞誘導培養設備。

  廣州生物院研究員張驍說:“有了這臺設備後,從事誘導多能幹細胞的科研人員不再靠人工操作養細胞,甚至不具備養細胞技術的人只要靠這台儀器就能獲得誘導多能幹細胞。”

  可實現全過程實時追蹤監測,並提高幹細胞的製備品質

  全自動幹細胞誘導培養設備佔地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、設備控制系統六大模組組成。

  據科研人員介紹,幹細胞的重編程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。

  “獨立矩陣式培養箱主要是為細胞培養提供適當的溫度、濕度和氣體環境,保證細胞的培養處於合適的環境,同時也保障個體細胞間不會交叉污染。” 張驍說,“人養細胞,不會全程監測細胞狀態。而這臺設備能全天候堅守,可以通過手機APP端監測,並及時完成移液、換液等操作。細胞的培養時間也縮短了。它還能自動獲取細胞成長資訊,預測細胞成長趨勢,自動挑選出符合要求的成熟誘導多能幹細胞。”

  改善了我國高端生命科學儀器裝備依靠進口的局面

  全自動幹細胞誘導培養設備從誘導多能幹細胞重編程全過程研究出發,建立全程自動化細胞培養誘導技術體系,利用人工智慧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的命運調控的Hiden Markov Model數學模型,從而指導細胞重編程理論在幹細胞獲取領域從理論模型到製備整機技術的全線突破,實現重編程多能細胞暨幹細胞的製備。

  張驍說:“該自動化智慧技術可實現每月24人次為週期的GMP級別的細胞製備通量,為我國的生物先進製造提供了上游細胞來源的智慧保障。”

  全自動幹細胞誘導培養設備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編程命運的自動化誘導,整機技術及識別核心演算法的應用已達國際領先水準。

  廣州生物院研究員裴端卿表示,設備的成功研製,標誌著我國在幹細胞裝備領域的自主研發取得新的突破,改善了我國高端生命科學儀器裝備依靠歐美進口的局面,其成果填補了國內在該領域的多項空白。

  項目技術驗收專家認為,該項目研究成果涵蓋基礎研究、應用研究和開發研究全過程的生物技術自主創新體��,這將為實現本領域整體“並跑”、部分“領跑”,初步建立系統的生物技術創新體系,突破一批核心關鍵技術難點作出貢獻。

  中國科學院微電子所研究員夏洋說:“該設備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進程,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。”

  據了解,目前各醫院細胞治療臨床應用迫切需要幹細胞製備裝置,全自動幹細胞誘導培養設備已逐步在各研究單位或一級醫院研究中心推廣。該設備降低了人為干預,實現多人份、低成本、高品質、一體化的幹細胞生產,社會效益巨大。(吳月輝)

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