科研人員操作全球首臺自動化幹細胞誘導培養設備。受訪者供圖
用自己“生產”的新器官替換已“老化”的器官，這或許會在未來實現。
如今，隨著細胞“變身”奧秘的揭開，科學家們正在探索利用誘導多能幹細胞（iPSC），實現再生新的組織和器官，為疾病治療和再生醫學提供“種子”細胞來源。隨著相關研究的興起，自動化、規模化、標準化獲得幹細胞的需求日益旺盛，但傳統的人工操作面臨“產能”不足，制約著幹細胞在再生醫學研究領域中的普遍應用。
從利用維生素C提高體細胞“變身”效率到化學小分子誘導多能幹細胞的新方法，中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院（簡稱“廣州生物院”）成為這一領域的“黑馬”。在技術上不斷取得突破的同時，今年5月全球首臺自動化幹細胞誘導培養設備也誕生在廣州生物院。該設備降低幹細胞的生產成本的同時提高了細胞製備質量，這一“生物智造”也為實現幹細胞的標準化“生產”提供了設備支持。
科研人員操作全球首臺自動化幹細胞誘導培養設備。受訪者供圖
探索細胞“逆生長”
將尿液“變廢為寶”為幹細胞
隨著老齡化的加劇，帕金森病、老年痴呆症等疾病成為醫學領域新的難題。“這些疾病的本質其實是細胞衰老、死亡以致喪失功能，幹細胞與再生醫學方面的研究將探索出行之有效的解決辦法。” 廣州生物院副院長潘光錦說。
對此，作為 “萬用細胞”的幹細胞，其臨床應用價值被寄予厚望。原因在於其可以“七十二變”，不僅可以自我複製，還可以在相應的條件下“變身”為不同種類、具有不同功能的細胞。在未來應用上，即可通過幹細胞培育出器官組織等，以替換、治療損傷的、自身病變或衰老的器官組織。
幹細胞如此“神通廣大”，其獲取成為醫學界關注的重點。2006年，日本科學家山中伸彌的團隊把4個轉錄因子通過逆轉錄病毒載體轉入小鼠的體細胞，使其變成多能幹細胞（iPS細胞），避免了此前研究提出的使用人體胚胎提取幹細胞所面臨的倫理道德問題。該團隊因此也獲得了2012年的諾貝爾生理或醫學獎。
但這一方法也不完美，存在致癌隱患。對此，後來的科學家們利用化學小分子替代，誘導出了多能幹細胞，儘管安全性有了保障，步驟多、時間長、效率低、機理不清楚等問題也成為新的瓶頸。
經過多年研究，來自廣州生物院的裴端卿團隊“異軍突起”。該團隊通過在培養基中加入維生素C，將體細胞誘變成多能幹細胞的效率從十萬分之一提升到十分之一。該成果於2009年在國際幹細胞權威雜誌Cell Stem Cell上發表，也是中國的相關科研成果首次獲此殊榮。
經過更深入地研究，裴端卿團隊發現從體細胞“逆生長”為多能幹細胞，其還需經過上皮細胞這一中間狀態。順著這個線索，2011年，該團隊再次取得突破，在人的尿液裡找到了合適的上皮細胞，並誘導出多能幹細胞，將其培育為神經幹細胞並治療了小鼠的神經疾病。
今年，該團隊再接再厲開發出一套高效、簡單的化學小分子誘導多能幹細胞的方法， 簡稱為CIP（Chemical Induction of Pluripotency），即化合物誘導幹細胞多能性。“這為改變細胞命運提供新的思路和方向。” 潘光錦說。
科研人員進行細胞操作實驗。受訪者供圖
讓“養”幹細胞不再難
全球首臺自動化幹細胞誘導培養設備誕生
誘導多能幹細胞這一新領域的發展，解決了幹細胞作為種子細胞的來源問題。但幹細胞在再生醫學研究領域中的普遍應用，需要充足的誘導多能幹細胞的供給，供給不足讓相關研究捉襟見肘。
為了獲得實驗所需的大量誘導多能幹細胞，科研人員只能花費諸多心思去“養”細胞。高成本外，效率低和安全性也掣肘幹細胞的培養，由於缺乏對細胞命運變化、iPSC克隆篩選和擴增的實時及定量監控，幹細胞誘導流程的規範化與標準化難以實現，特別是將來應用於臨床，存在質量不均等安全問題。此外，潘光錦表示，經過長期技術訓的練科研人員才能上崗，高技術門檻導致了科研人員培養的高成本。
針對自動化、規模化、標準化獲得幹細胞的需求，今年5月15日，廣州生物院承擔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”順利通過驗收，這標誌全球首臺自動化幹細胞誘導培養設備誕生。
潘光錦告訴記者，研發團隊針對實際需求組成了“跨界”的技術團隊，歷時4年攻關打造了該設備，不僅實現了“機器代人”，更是實現了人工操作無法實現的幹細胞標準化“生產”。如針對幹細胞識別難的問題，該設備不僅能通過圖像識別快速找到培養基裡“藏”著的幹細胞，也能在識別的過程中不斷學習，進一步提高精準度。
項目技術驗收專家表示，該設備首次實現了基於機器學習的自動化識別以及誘導培養，整機技術及識別核心算法的應用已達國際“並跑”，個別關鍵技術實現了“領跑”， 填補了國內在該領域的多項空白，也改善了國內高端生命科學儀器裝備依靠歐美進口的局面。
“現在有了全自動裝備，一次可以幹相當於24個技術員的活，而且識別率高、穩定性強。” 潘光錦說。
編輯：南方+ 陳思勤、傅鵬 、符如瑜、張波爾
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