——習(xí)近平總書記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國(guó)科學(xué)院辦院方針
語(yǔ)音播報(bào)
用自己“生產(chǎn)”的新器官替換已“老化”的器官,這或許會(huì)在未來(lái)實(shí)現(xiàn)。
如今,隨著細(xì)胞“變身”奧秘的揭開,科學(xué)家們正在探索利用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSC),實(shí)現(xiàn)再生新的組織和器官,為疾病治療和再生醫(yī)學(xué)提供“種子”細(xì)胞來(lái)源。隨著相關(guān)研究的興起,自動(dòng)化、規(guī)?;?、標(biāo)準(zhǔn)化獲得干細(xì)胞的需求日益旺盛,但傳統(tǒng)的人工操作面臨“產(chǎn)能”不足,制約著干細(xì)胞在再生醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域中的普遍應(yīng)用。
從利用維生素C提高體細(xì)胞“變身”效率到化學(xué)小分子誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的新方法,中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院(簡(jiǎn)稱“廣州生物院”)成為這一領(lǐng)域的“黑馬”。在技術(shù)上不斷取得突破的同時(shí),今年5月全球首臺(tái)自動(dòng)化干細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)設(shè)備也誕生在廣州生物院。該設(shè)備降低干細(xì)胞的生產(chǎn)成本的同時(shí)提高了細(xì)胞制備質(zhì)量,這一“生物智造”也為實(shí)現(xiàn)干細(xì)胞的標(biāo)準(zhǔn)化“生產(chǎn)”提供了設(shè)備支持。
探索細(xì)胞“逆生長(zhǎng)”將尿液“變廢為寶”為干細(xì)胞
隨著老齡化的加劇,帕金森病、老年癡呆癥等疾病成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域新的難題?!斑@些疾病的本質(zhì)其實(shí)是細(xì)胞衰老、死亡以致喪失功能,干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)方面的研究將探索出行之有效的解決辦法?!睆V州生物院副院長(zhǎng)潘光錦說(shuō)。
對(duì)此,作為“萬(wàn)用細(xì)胞”的干細(xì)胞,其臨床應(yīng)用價(jià)值被寄予厚望。原因在于其可以“七十二變”,不僅可以自我復(fù)制,還可以在相應(yīng)的條件下“變身”為不同種類、具有不同功能的細(xì)胞。在未來(lái)應(yīng)用上,即可通過(guò)干細(xì)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。
干細(xì)胞如此“神通廣大”,其獲取成為醫(yī)學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)。2006年,日本科學(xué)家山中伸彌的團(tuán)隊(duì)把4個(gè)轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄病毒載體轉(zhuǎn)入小鼠的體細(xì)胞,使其變成多能干細(xì)胞(iPS細(xì)胞),避免了此前研究提出的使用人體胚胎提取干細(xì)胞所面臨的倫理道德問(wèn)題。該團(tuán)隊(duì)因此也獲得了2012年的諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
但這一方法也不完美,存在致癌隱患。對(duì)此,后來(lái)的科學(xué)家們利用化學(xué)小分子替代,誘導(dǎo)出了多能干細(xì)胞,盡管安全性有了保障,步驟多、時(shí)間長(zhǎng)、效率低、機(jī)理不清楚等問(wèn)題也成為新的瓶頸。
經(jīng)過(guò)多年研究,來(lái)自廣州生物院的裴端卿團(tuán)隊(duì)“異軍突起”。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)在培養(yǎng)基中加入維生素C,將體細(xì)胞誘變成多能干細(xì)胞的效率從十萬(wàn)分之一提升到十分之一。該成果于2009年在國(guó)際干細(xì)胞權(quán)威雜志Cell Stem Cell上發(fā)表,也是中國(guó)的相關(guān)科研成果首次獲此殊榮。
經(jīng)過(guò)更深入地研究,裴端卿團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)從體細(xì)胞“逆生長(zhǎng)”為多能干細(xì)胞,其還需經(jīng)過(guò)上皮細(xì)胞這一中間狀態(tài)。順著這個(gè)線索,2011年,該團(tuán)隊(duì)再次取得突破,在人的尿液里找到了合適的上皮細(xì)胞,并誘導(dǎo)出多能干細(xì)胞,將其培育為神經(jīng)干細(xì)胞并治療了小鼠的神經(jīng)疾病。
今年,該團(tuán)隊(duì)再接再厲開發(fā)出一套高效、簡(jiǎn)單的化學(xué)小分子誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的方法,簡(jiǎn)稱為CIP(Chemical Induction of Pluripotency),即化合物誘導(dǎo)干細(xì)胞多能性?!斑@為改變細(xì)胞命運(yùn)提供新的思路和方向?!迸斯忮\說(shuō)。
全球首臺(tái)自動(dòng)化干細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)設(shè)備誕生
誘導(dǎo)多能干細(xì)胞這一新領(lǐng)域的發(fā)展,解決了干細(xì)胞作為種子細(xì)胞的來(lái)源問(wèn)題。但干細(xì)胞在再生醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域中的普遍應(yīng)用,需要充足的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的供給,供給不足讓相關(guān)研究捉襟見肘。
為了獲得實(shí)驗(yàn)所需的大量誘導(dǎo)多能干細(xì)胞,科研人員只能花費(fèi)諸多心思去“養(yǎng)”細(xì)胞。高成本外,效率低和安全性也掣肘干細(xì)胞的培養(yǎng),由于缺乏對(duì)細(xì)胞命運(yùn)變化、iPSC克隆篩選和擴(kuò)增的實(shí)時(shí)及定量監(jiān)控,干細(xì)胞誘導(dǎo)流程的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化難以實(shí)現(xiàn),特別是將來(lái)應(yīng)用于臨床,存在質(zhì)量不均等安全問(wèn)題。此外,潘光錦表示,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期技術(shù)訓(xùn)練科研人員才能上崗,高技術(shù)門檻導(dǎo)致了科研人員培養(yǎng)的高成本。
針對(duì)自動(dòng)化、規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化獲得干細(xì)胞的需求,今年5月15日,廣州生物院承擔(dān)的國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目“全自動(dòng)干細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)設(shè)備研制”順利通過(guò)驗(yàn)收,這標(biāo)志全球首臺(tái)自動(dòng)化干細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)設(shè)備誕生。
潘光錦告訴記者,研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對(duì)實(shí)際需求組成了“跨界”的技術(shù)團(tuán)隊(duì),歷時(shí)4年攻關(guān)打造了該設(shè)備,不僅實(shí)現(xiàn)了“機(jī)器代人”,更是實(shí)現(xiàn)了人工操作無(wú)法實(shí)現(xiàn)的干細(xì)胞標(biāo)準(zhǔn)化“生產(chǎn)”。如針對(duì)干細(xì)胞識(shí)別難的問(wèn)題,該設(shè)備不僅能通過(guò)圖像識(shí)別快速找到培養(yǎng)基里“藏”著的干細(xì)胞,也能在識(shí)別的過(guò)程中不斷學(xué)習(xí),進(jìn)一步提高精準(zhǔn)度。
項(xiàng)目技術(shù)驗(yàn)收專家表示,該設(shè)備首次實(shí)現(xiàn)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的自動(dòng)化識(shí)別以及誘導(dǎo)培養(yǎng),整機(jī)技術(shù)及識(shí)別核心算法的應(yīng)用已達(dá)國(guó)際“并跑”,個(gè)別關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“領(lǐng)跑”,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的多項(xiàng)空白,也改善了國(guó)內(nèi)高端生命科學(xué)儀器裝備依靠歐美進(jìn)口的局面。
“現(xiàn)在有了全自動(dòng)裝備,一次可以干相當(dāng)于24個(gè)技術(shù)員的活,而且識(shí)別率高、穩(wěn)定性強(qiáng)。”潘光錦說(shuō)。
(原載于《南方日?qǐng)?bào)》 2018-06-20 GC02版)
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