廣州創(chuàng)新英雄用激光切細胞，再生醫(yī)學研究又出新思路
發(fā)布時間：2019-10-30
干細胞具有全能性，可分化成人身體的所有組織細胞類型。目前干細胞和再生醫(yī)學研究已成為自然科學研究中最引人注目的領(lǐng)域之一。
此前，權(quán)威學術(shù)期刊Ｎａｔｕｒｅ發(fā)表了一項最新研究成果，即由中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院／廣州再生醫(yī)學與健康廣東省實驗室的彭廣敦課題組聯(lián)合其他權(quán)威課題組共同“繪制”的細胞成長軌跡三維立體圖。
據(jù)了解，該文章被視為或極大推動早期胚胎發(fā)育和干細胞再生醫(yī)學相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。
在彭廣敦看來，這一漫長的“作畫”經(jīng)歷正是一心想追尋細胞成長的軌跡，而接觸了越來越多的技術(shù)所創(chuàng)造的成果。
起源：學生物的博士“跨行”學起計算生物學
２００９年，彭廣敦在中國科學院上海生物化學與細胞生物學研究所博士畢業(yè)后，赴美國加州大學洛杉磯分校從事博士后工作。當時計算科學和生物學已經(jīng)出現(xiàn)交叉融合的趨勢，各種測序技術(shù)蓬勃發(fā)展，大量的生物學數(shù)據(jù)亟待分析，加上自己本來就對計算機技術(shù)頗感興趣，彭廣敦決定去進行計算生物學的學習和研究。
２０１１年，彭廣敦回國。參與中科院戰(zhàn)略性先導科技專項關(guān)于干細胞與再生醫(yī)學方面的研究，負責研究干細胞的發(fā)育譜系。此前的“跨行”經(jīng)歷為彭廣敦之后的研究開辟了新的局面。
“干細胞具有全能性，可以分化成人身體的所有組織細胞類型，在當時已經(jīng)是研究的前沿與熱門話題。人們對干細胞研究寄予厚望，希望它能夠為治療各類疾病提供更好的方案，因此了解各種類型細胞是如何發(fā)育變化成長而來的就變得尤為重要。”彭廣敦解釋道，此前研究細胞的家族和命運調(diào)控大部分只是針對少量基因，并且在一個較小的范圍去干擾基因來研究一些具體的功能，但“只看到少量的基因活動，這對于細胞的發(fā)育譜系研究可能是不完整和不全面的”。
突破：獲得可分析空間特異細胞功能的利器
彭廣敦說，與傳統(tǒng)的“一個人做一個基因的實驗”模式不同，計算生物學與高通量測序技術(shù)結(jié)合給干細胞的研究提供了另一種可能，通過測序并結(jié)合計算機對數(shù)據(jù)信息的挖掘，可以實現(xiàn)多角度、連續(xù)動態(tài)無偏差地觀察細胞的變化路徑。不過，想要更全面認識細胞，需要在“空間”上實現(xiàn)突破。
彭廣敦解釋道：“細胞成長軌跡需要考慮基因在三維立體層面的表達。”領(lǐng)域內(nèi)還缺少可以探究高分辨率的空間定位與基因表達信息的方法。而技術(shù)相互結(jié)合提供了新的突破思路—— “激光切割是一個較為傳統(tǒng)的技術(shù)，但當時剛好興起了單細胞測序技術(shù)。”他說，在顯微鏡下通過激光對特定位置的單細胞或少量細胞進行精確的捕獲，再結(jié)合單細胞測序技術(shù)，就可以獲得既具有空間信息而又有精確的細胞全轉(zhuǎn)錄組信息，這樣獲得了一種可分析空間特異細胞功能的利器。
這聽起來似乎是兩個技術(shù)的簡單疊加，但真正運用起來需要不斷去解決許許多多細節(jié)問題。
彭廣敦介紹說，傳統(tǒng)上激光切割會收取幾千幾萬個細胞，基因表達分析的難度較低，并且丟失其中部分細胞并不影響實驗結(jié)果，而現(xiàn)在要對低至三五個細胞進行激光切割則不能容忍細胞丟失。這對利用單細胞測序技術(shù)帶來極大的挑戰(zhàn)，所以需要不斷對每個技術(shù)流程中的環(huán)節(jié)等進行大量修改、優(yōu)化和調(diào)整。
“我們反復地嘗試，試圖搭建全新的技術(shù)體系。整個實驗團隊針對不同的組合條件開展實驗，終于獲得了新的技術(shù)路線，歷時約兩年之久，團隊終于取得了第一套質(zhì)量特別好的數(shù)據(jù)。”彭廣敦說，實驗中做出來的切片因發(fā)現(xiàn)不滿足高標準要求而廢掉的就有好幾百塊，摞起來的架子比人還高。
成果：研究成果登上國際權(quán)威學術(shù)期刊
２０１７年１２月，廣州再生醫(yī)學與健康廣東省實驗室成立。省實驗室吸引了許多有志于干細胞研究領(lǐng)域的科研工作者前來，彭廣敦也是其中之一。
建立了空間組學的分析技術(shù)后，彭廣敦的重頭工作就是通過在實驗室里獲取不同發(fā)育時間的胚胎樣品描繪胚胎中多能干細胞時間空間譜系決定的全景式圖譜。
“這就好像給細胞拍了很多圖，我們通過前前后后的時間來看這些圖怎么變，這些圖構(gòu)成了動態(tài)譜系，包含了許許多多一個個細胞的出生成長經(jīng)歷。”他說，這像是在“放一個充滿故事包羅萬象恢弘的電影片”。
在２０１９年８月，這部“電影短片”終于完成。這項與中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心／生物化學與細胞生物學研究所景乃禾課題組、中國科學院－馬普學會計算生物學伙伴研究所韓敬東課題組合作共同完成的“小鼠早期胚胎發(fā)育過程中全胚層譜系發(fā)生的時空轉(zhuǎn)錄組圖譜”工作，登上了國際權(quán)威學術(shù)期刊Ｎａｔｕｒｅ。
彭廣敦介紹道，這項研究成果首次構(gòu)建了小鼠早期胚胎著床后發(fā)育時期高分辨率時空轉(zhuǎn)錄組圖譜，獲得了超過２萬個基因從時間和空間上的表達模式；并首次從分子層面揭示了內(nèi)胚層譜系在上胚層產(chǎn)生前新的譜系來源，也就是說改變了傳統(tǒng)上“內(nèi)胚層細胞全部由上胚層細胞發(fā)育而來”的觀念，提出了有一部分內(nèi)胚層細胞是直接由原始內(nèi)胚層細胞發(fā)育而來，并且部分中胚層和外胚層細胞也可能有著共同的來源。為人們理解胚層譜系建立及多能干細胞的命運調(diào)控機制，提供了翔實的數(shù)據(jù)，也為基于干細胞的再生醫(yī)學研究提供了嶄新的思路。
創(chuàng)新英雄：彭廣敦
畢業(yè)于中國科學院上海生物化學與細胞生物學研究所，留學歸國后在中國科學院上海生物化學與細胞生物學擔任助理研究員、副研究員。現(xiàn)任職于中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院、廣州再生醫(yī)學與健康廣東省實驗室細胞譜系中心；承擔國家重點研發(fā)計劃“干細胞及轉(zhuǎn)化研究”重點專項、中國科學院“器官重建與制造”戰(zhàn)略性先導科技專項等科研項目。
創(chuàng)新感言：
“科研上的創(chuàng)新需要跨學科的技術(shù)人才。大家都不是孤立的存在。當多個學科共同聚焦于一個問題時，往往能產(chǎn)生意想不到的更好的解決方案。如今科學發(fā)展日新月異，無論是在理論還是工具技術(shù)方面，保持不斷學習，都將有益于研究工作并產(chǎn)生長遠的效應。”
深入淺出：
彭廣敦解釋，獲取不同發(fā)育時間的胚胎樣品描繪胚胎中多能干細胞時間空間譜系是對傳統(tǒng)發(fā)育譜系的部分補充：“在現(xiàn)有的前沿技術(shù)下帶來了不一樣的視角與發(fā)現(xiàn)。我們看到干細胞的譜系有了新的來源，新的變化路徑，這將會為以后的研究創(chuàng)造一些新的可能方向，比如說按照傳統(tǒng)方法通過干細胞得到類似運動神經(jīng)細胞可能要經(jīng)歷漫長的分化與培養(yǎng)，而我們有可能提供一個‘快車道’或者‘分岔路’。”未來，他與團隊希望干細胞時空譜系研究上繼續(xù)實現(xiàn)突破——“就好比以前做出了時長十秒的電影，以后能否放上幾分鐘、甚至更久；也加入更多的‘敘事手段’來，把電影變成一個多彩的‘聲情并茂’的故事。”
