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干细胞诱导培养流程自动化 科研人员不再仅靠人工操作养细胞 培养干细胞,原来还能这样操作
2018年07月17日 11:10 来源:《光明日报》 作者:见习记者 王忠耀 记者 吴春燕 字号

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  “设备为我国全自主知识产权,首次实现了以机器学习及人工智能算法为逻辑判定的细胞重编程命运的自动化诱导。设备的成功研制,改善了我国高端生命科学仪器装备几乎依靠欧美进口的局面,其成果展示了我国在细胞制备领域高端科研装备的先进性;为降低细胞的生产成本、提高细胞制备质量、更广泛地服务临床奠定了装备基础。”中科院广州生物医药与健康研究院(以下简称广州生物院)副院长潘光锦口中的设备,指的是该院全自动干细胞诱导培养设备。不久前,这套设备顺利通过了最后验收。这也标志着全球首台自动化无人监守、应用深度神经网络的智能化干细胞诱导培养设备诞生。

  人工操作难规范,干细胞研究遇瓶颈

  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,在医学界有“万能细胞”之称。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、精准医学等领域的应用前景也十分广阔。但由于常规干细胞存在不足的限制,诱导多能干细胞这一干细胞研究的新领域逐渐兴起,研究人员试图通过这一方式解决干细胞作为种子细胞的来源问题。

  “诱导多能干细胞的形态、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。”广州生物院党委副书记、副院长段子渊介绍。目前,诱导多能干细胞的研究广泛应用于新药研发、神经损伤修复、心肌细胞修复、组织器官再生或移植等再生医疗研究领域。

  在相当长的一段时间里,干细胞诱导、培养及筛选过程均只能依靠人工操作完成。但人工操作一方面缺乏对细胞命运变化及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,另一方面还面临效率低、成本高、通量低、安全性差等诸多问题。因此,如何实现干细胞自动化规模化的均质培养与扩增,避免批次不统一、质量不均一等问题,是诱导多能干细胞技术走向实际应用亟须突破的瓶颈。

  “质”“量”齐飞跃,标准高效一机兼顾

  在财政部国家重大科研装备研制项目的资金支持下,广州生物院的“全自动干细胞诱导培养设备研制”项目以原创新技术为核心,利用院内国际领先的干细胞诱导分化技术等研究成果,结合自动化技术,历时4年,攻克8项关键技术,研制出了国际首台干细胞自动化、智能化诱导培养设备。

  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。

  “有了这台设备后,从事诱导多能干细胞的科研人员不再仅靠人工操作养细胞,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。”广州生物院研究员陈捷凯表示。

  推进干细胞装备领域自主研发进程

  “将干细胞诱导培养流程自动化,其意义不仅是简单节约人力,更是推动我国干细胞基础研究和临床应用发展的必经之路。”广州生物院副院长潘光锦这样形容这一设备的科学意义。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。

  针对自动化、规模化、标准化获得干细胞的需求,项目组完成了全自动干细胞诱导培养设备研制工作,设备的所有技术指标均达到实施方案规定的考核指标要求。在设备的综合验收中,由中科院院士徐涛领衔的综合验收专家组在验收中对设备作出上述评价。

  “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。”中国科学院微电子所研究员夏洋表示。

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姓名:见习记者 王忠耀 记者 吴春燕 工作单位:

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