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自去年启动建设以来，位于广州国际生物岛上的人类细胞谱系大科学研究设施一直备受关注。作为广州“3+3+N”科技创新平台体系的重要组成部分，该设施成为生命健康领域的科技策源地，提出了“边建设、边使用、边产出、边转化、边共享”的“五边”目标，在建设过程中不断“沿途下蛋”。
近段时间，该设施产出了哪些科技成果？本期《科技周刊》，中国科学院广州生物医药与健康研究院院长、细胞谱系设施总指挥、总工程师孙飞向记者一一道来。
自动化保活切片贴片设备
快速病理检测缩短手术时间
孙飞告诉记者，保活切片贴片设备是整个细胞谱系设施生产线中的核心设备之一。设施要对组织样本进行数字化，第一步就是对组织样本进行切片，包括冷冻切片和保活切片两条技术路线。其中，冷冻切片技术成熟，但保活切片，也就是在4℃下进行组织切片难度较大，“我们可以这样理解，用机器切冻肉容易切得均匀，但机器想要把未冷冻的组织切均匀却很困难。目前，我们项目研发团队已经对保活切片贴片设备的原型机进行了两次迭代，工艺技术上已十分成熟，未来，我们将在设施内至少安排8台保活切片贴片设备。”
自动化组织块保活切片贴片设备（样机展示图）
记者了解到，自动化保活切片贴片设备的核心功能，是对标准化处理后的组织块进行高精度的保活切片。它能大幅减少人为操作带来的不确定性，提高实验室样品处理效率，同时确保从样品处理到数据分析的全流程质量一致性。
据介绍，该设备除了可以应用于设施，在医院场景，特别是临床场景也有非常好的应用前景。孙飞告诉记者，医院进行病理分析时更多使用冷冻切片，但它存在相应缺点——冷冻会对样本的结构及成分产生一定程度的破坏，后期检测也可能出现失真；冷冻切片出病理报告较慢，特别是在肿瘤手术中，医生通常会在切除位置进行术中病理检测，以确保没有肿瘤物残留。从制作冷冻切片、染色到病理检测，通常需要半小时到1小时。在此期间，医生不能缝合手术伤口，必须等待病理结果才能做决定，这也使患者承担了更高的感染风险。“若使用我们的保活切片贴片设备，则可快速出结果，整个流程理论上可缩短至10分钟以内。因此，它在临床医学应用上具有巨大潜力。”
该设备在其他科研场景也有很大的应用前景。如在实验室里进行动物病理切片，孙飞表示：“大部分实验室仍使用冷冻病理切片，我们的设备开辟了一个全新的赛道，它的产业化价值非常高。”目前，该设备已达到可产品化阶段。
自动化空间多组学微流控系统
试剂硬件国产化成本大幅下降
自动化空间多组学微流控系统重点解决组织样本的空间多组学检测问题。利用这套设备，科学家可以对组织切片的空间转录组和表观组进行精准测定，探究疾病发生、发展的分子调控机理。
自动化空间多组学微流控系统
该设备在科研上可对细胞分类进行精准测定，比如用于临床肿瘤等样本的空间多组学检测，可分析挖掘潜在的肿瘤分子机制、药物靶点，并进行疗效评估。在医学诊断方面，它可以精准诊断某一疾病的具体分型，使医生能够对患者进行精准治疗。“尽管用途很大，但这一技术在医院内仍难以推广，主要是现有技术过于昂贵，患者不大可能花10万元做这样的检测。”孙飞说。
目前，空间多组学检测所消耗的试剂、耗材非常昂贵。而自动化空间多组学微流控系统是市场上唯一能实现空间表观组及转录组同时检测的高通量自动化空间多组学检测设备，试剂及硬件等均实现国产化，成本大幅下降。“目前，我们已经迭代了两代设备样机，多组学检测成本将降至市面方案的1/5左右，未来价格还有进一步降低的空间。如果检测价格能降到一两千元，将大大提升我们的医学诊断能力和患者的可及性。”
目前，团队还在对设备做进一步的技术优化，“它也是我们设施的核心设备，设施启动后需要6至8台，以实现每天250万个单细胞的检测通量。”
高通量电子显微镜
解决通量问题实现快速成像
在细胞谱系设施研发楼内，记者还看到一款高通量电子显微镜。孙飞表示，该设备计划于今年年底完成样机制备，作用是构建细胞的超微结构图谱。“传统电镜的优点是分辨率高，但缺点是通量低、视野小，样品只能一个接一个手动放入。我们的电镜解决了通量问题。这款高通量电镜一次可以检测520个样品，实现高通量快速成像。”
经过测算，以往需要1到2年完成的体电子显微成像样品，如今利用这一设备只需1个月时间。“设施将安排至少4台这样的高通量电子显微成像设备，这样，整个工作时间就可以缩短至一个星期。”孙飞说。
全息显微成像系统
大视野高分辨原始切片成像
与传统的显微成像设备不同，全息显微成像系统不需要物镜，只需要一个简单的光路，直接通过计算就能实现大视野高分辨率成像。孙飞说：“利用我们的全息显微成像系统，组织切片可以在很大的视野下快速完成高分辨率成像。组织切片后经过全息显微成像系统快速成像，立刻运转去做空间多组学测定。我们研发的这些仪器，都是针对设施的工程指标进行定制的。”
全息显微成像系统
孙飞表示，全息显微成像系统在医院和科研实验室也有很大的应用潜力。“在大部分实验室里，切片一般需要先做染色或其他标记，然后再送到显微镜下观察。而全息显微成像系统可以不用标记，直接对原始切片进行大视野高分辨率成像，帮助医生更快速诊断。”
揭示器官血管“语言”形成之谜
依托人类细胞谱系大科学研究设施，今年2月17日，广州健康院联合华南理工大学、广州实验室、西湖大学的科研团队，在国际顶级学术期刊《细胞》上发表突破性研究成果。团队成功绘制出全球首个覆盖小鼠胚胎完整发育过程的内皮细胞“时空地图”，首次系统性揭示：在生命孕育的早期，遍布全身的血管内皮细胞就已开始学习各自器官的“语言”，分化出心、脑、肺、肝等器官特有的“定制化”血管。
该研究为人类细胞谱系大科学研究设施的研究工作奠定了重要的理论与技术基础。人体由几十万亿细胞组成，这些细胞从一个受精卵开始，历经增殖、分化直至衰老的全生命周期动态演化过程，即为“细胞谱系”。解析细胞谱系，就是绘制细胞命运转变的高精度“导航图”。目前，团队已完成小鼠内皮细胞“导航图”的绘制，为后续开展人体细胞谱系的相关研究提供了重要指引。
发布“扁鹊计划”征集重大科学问题
孙飞透露，人类细胞谱系大科学研究设施计划推出“扁鹊计划”，面向全社会征集重大科学问题，遴选其中的高质量项目进行支持，旨在产出更多世界级的科研论文、专利、产品、平台及标准。
人类细胞谱系大科学研究设施（效果图）
人类细胞谱系大科学研究设施可为人类蛋白质组导航计划（π—HuB）、全景数字生命国际大科学计划（VITAL）等国际大科学计划提供关键基础保障与核心硬件支撑。“扁鹊计划”征集到的各类相关课题，均可纳入大科学计划统筹推进。孙飞表示，期待以“扁鹊计划”为起点，依托设施硬核支撑，持续赋能各类前沿生命科学重大项目，培育生命健康领域重大科研成果体系。
在孙飞看来，未来，人类细胞谱系大科学研究设施既是学术高地，也是产业高地。“该设施最终的科研目标是打造‘数字生理人’大模型，搭建可供临床大夫、医药企业使用的终端，开展药物筛选、靶点发现等工作。”
“凡是接受‘扁鹊计划’支持的项目，需要将数据与设施共享，‘扁鹊计划’产生的数据将持续助力模型构建。”孙飞说。
文、图/广州日报新花城记者：武威 通讯员 王炯坤
