細(xì)胞是生命的基本單元，人體由約40萬(wàn)億細(xì)胞組成。這些細(xì)胞從一個(gè)受精卵開始，經(jīng)歷增殖、分化直至衰老的全生命周期動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，就是“細(xì)胞譜系”。

日前，由中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院（簡(jiǎn)稱“廣州健康院”）牽頭建設(shè)的國(guó)家“十四五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——人類細(xì)胞譜系大科學(xué)研究設(shè)施（簡(jiǎn)稱“細(xì)胞譜系設(shè)施”）在廣州國(guó)際生物島正式啟動(dòng)建設(shè)。該項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)周期4.5年，總建筑面積超5萬(wàn)平方米，將繪制人體中全生命周期的細(xì)胞時(shí)空演化圖譜，打造數(shù)字細(xì)胞AI大模型，構(gòu)建數(shù)字生理人，創(chuàng)新生物醫(yī)療檢測(cè)新范式，開辟生物醫(yī)藥研發(fā)新賽道，在試劑、儀器、軟件和數(shù)據(jù)等方面產(chǎn)出一批創(chuàng)新性科技成果和產(chǎn)品。該項(xiàng)目是粵港澳大灣區(qū)首個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域的國(guó)家級(jí)大科學(xué)裝置，也是廣州市構(gòu)建“2+2+N”科技創(chuàng)新平臺(tái)體系的重要內(nèi)容之一。

▲啟動(dòng)儀式

01

解碼生命奧秘，追蹤細(xì)胞的“前世今生”

古有扁鵲通過(guò)“望聞問(wèn)切”診斷人體疾病，今有細(xì)胞譜系設(shè)施通過(guò)解碼細(xì)胞譜系預(yù)測(cè)疾病和篩藥驗(yàn)藥。細(xì)胞譜系設(shè)施將以樣品保活存儲(chǔ)、空間多組學(xué)、先進(jìn)成像等創(chuàng)新技術(shù)和裝置研發(fā)為核心，集成人工智能等前沿技術(shù)，繪制涵蓋發(fā)育、疾病、衰老三大維度的動(dòng)態(tài)細(xì)胞圖譜，構(gòu)建數(shù)字細(xì)胞AI大模型，催生生物醫(yī)藥研究新范式。

細(xì)胞譜系設(shè)施將建設(shè)繪制細(xì)胞譜系的自動(dòng)化工程產(chǎn)線，包含樣本預(yù)處理、樣品存儲(chǔ)、多尺度成像分析、多組學(xué)分析、數(shù)據(jù)處理和驗(yàn)證等工藝流程，標(biāo)準(zhǔn)化采集影像組、空間組、轉(zhuǎn)錄組、表觀組、蛋白組、代謝組、超微結(jié)構(gòu)組等多種模態(tài)數(shù)據(jù)，建成數(shù)字孿生索引的細(xì)胞譜系資源庫(kù)。

這是繼“冷泉生態(tài)系統(tǒng)研究裝置”全面啟動(dòng)、“夢(mèng)想”號(hào)大洋鉆探船實(shí)現(xiàn)萬(wàn)米深海突破、嫦娥六號(hào)月壤揭示月球演化奧秘后，廣州在科技創(chuàng)新領(lǐng)域的又一里程碑事件。作為粵港澳大灣區(qū)首個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域的國(guó)家級(jí)大科學(xué)裝置，該設(shè)施將繪制人類40萬(wàn)億細(xì)胞的“數(shù)字家譜”，推動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)療與生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)變革。

細(xì)胞譜系設(shè)施可追溯單細(xì)胞從誕生到衰亡的演化路徑，創(chuàng)建出涵蓋發(fā)育、疾病、衰老三大維度的數(shù)字化細(xì)胞譜系，為疾病預(yù)測(cè)、藥物篩選提供高精度導(dǎo)航。據(jù)介紹，它核心的亮點(diǎn)就是采集到生老病死過(guò)程中細(xì)胞的變化歷程，對(duì)細(xì)胞的變化有了解，人們就能知道生命是怎么運(yùn)轉(zhuǎn)的。

“這就像為生命編寫一部詳盡的‘細(xì)胞家譜’，讓科學(xué)家乃至公眾能夠清晰追蹤每個(gè)細(xì)胞的‘前世今生’。”廣州健康院副院長(zhǎng)（主持工作）、細(xì)胞譜系設(shè)施總指揮孫飛研究員表示。

02

破解制藥困局，打造“數(shù)字生理人”

隨著以ChatGPT和DeepSeek為代表的AI大模型技術(shù)突破，生物醫(yī)學(xué)進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代是必然趨勢(shì)。

據(jù)介紹，當(dāng)前全球創(chuàng)新藥研發(fā)平均耗時(shí)10年、耗資26億美元，但臨床成功率不足10%，根本原因之一在于藥物研發(fā)過(guò)程主要在動(dòng)物模型中進(jìn)行的，不能準(zhǔn)確模擬人類生理系統(tǒng)反應(yīng)。

基于高質(zhì)量規(guī)模化的細(xì)胞譜系數(shù)據(jù)，未來(lái)人類細(xì)胞譜系大科學(xué)研究設(shè)施將打造跟真人一樣能呼吸、會(huì)試毒試藥、可以新陳代謝的“數(shù)字生理人”，通過(guò)預(yù)演不同治療手段在“數(shù)字患者”體內(nèi)的治療效果，助力精準(zhǔn)診斷與治療。“數(shù)字生理人”通過(guò)回溯、模擬、預(yù)測(cè)疾病細(xì)胞譜系演化，不僅可以精準(zhǔn)定位病變驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵靶點(diǎn)，還可以在數(shù)字人體測(cè)毒試藥，有望突破藥物研發(fā)的“死亡之谷”。

“未來(lái)，細(xì)胞譜系設(shè)施有望可以用患者細(xì)胞信息打造一個(gè)‘?dāng)?shù)字患者’，預(yù)演不同治療手段在數(shù)字患者體內(nèi)治療效果，實(shí)現(xiàn)治療手段的‘量體裁衣’”。廣州健康院研究員、細(xì)胞譜系設(shè)施副總指揮兼總工藝師陳捷凱表示，設(shè)施將強(qiáng)化AI與數(shù)據(jù)資源整合，打造創(chuàng)新模型，并與龍頭企業(yè)開展深度合作，加速科研成果向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

細(xì)胞譜系設(shè)施是如何從人類組織器官上獲取信息，進(jìn)而打造出“數(shù)字器官”和“數(shù)字生理人”呢？

據(jù)介紹，細(xì)胞譜系設(shè)施會(huì)陸續(xù)進(jìn)行組織器官樣本處理、樣品存儲(chǔ)、多尺度成像分析、多組學(xué)分析、數(shù)據(jù)處理和驗(yàn)證等流程，這些都將通過(guò)智能化、自動(dòng)化生產(chǎn)線完成。

依托人工智能和云計(jì)算，該設(shè)施運(yùn)用獲取的高精度、多模態(tài)細(xì)胞譜系信息，形成數(shù)字大模型，隨后還會(huì)利用活細(xì)胞資源進(jìn)行驗(yàn)證，最終獲得人體發(fā)育譜系、疾病譜系和衰老譜系。在此基礎(chǔ)上，匯聚出“數(shù)字器官”和“數(shù)字生理人”，用于疾病發(fā)展、衰老預(yù)測(cè)和藥物靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)。

孫飛表示，“能夠?qū)崿F(xiàn)每天250萬(wàn)個(gè)細(xì)胞的分析。我們對(duì)一個(gè)肺組織的數(shù)字化，大概需要一年時(shí)間，如果放在一些小的實(shí)驗(yàn)室，它可能得數(shù)十年才能完成。通過(guò)這樣一種標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化的數(shù)據(jù)生產(chǎn)的能力，來(lái)催生未來(lái)的全新的生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)。”

03

從成果轉(zhuǎn)化到千億產(chǎn)業(yè)，建設(shè)世界級(jí)細(xì)胞科學(xué)中心

回望近代科學(xué)研究進(jìn)程，科研范式經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)科學(xué)、理論科學(xué)、計(jì)算科學(xué)的迭代遞進(jìn)。而隨著科研數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)以及大數(shù)據(jù)、人工智能的飛速發(fā)展，被稱為“大數(shù)據(jù)科學(xué)”的新范式正在興起。

作為細(xì)胞譜系設(shè)施首席科學(xué)家，中國(guó)工程院院士鐘南山指出，該設(shè)施有望“產(chǎn)出引領(lǐng)世界的原創(chuàng)成果，培養(yǎng)一群頂尖人才，孵化一批創(chuàng)新企業(yè)，成為護(hù)佑人民健康的‘國(guó)之盾牌’”。

作為粵港澳大灣區(qū)生命科學(xué)創(chuàng)新的重要支點(diǎn)，該設(shè)施選址廣州國(guó)際生物島具有深意——與廣州實(shí)驗(yàn)室等重大平臺(tái)形成“百米創(chuàng)新生態(tài)圈”，廣州實(shí)驗(yàn)室也將參與聯(lián)合建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)研究、臨床轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的深度協(xié)同。該設(shè)施的落地正加速?gòu)V州以生物島為核心的“一核兩極多園”生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)布局成型，聯(lián)動(dòng)全市6800多家相關(guān)企業(yè)，加快打造3000億級(jí)產(chǎn)業(yè)集群。

在細(xì)胞譜系與生命健康戰(zhàn)略研討會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，中國(guó)科學(xué)院院士徐濤介紹了高端醫(yī)療器械與科學(xué)儀器高質(zhì)量發(fā)展的現(xiàn)狀與未來(lái)。中國(guó)科學(xué)院院士陳潤(rùn)生介紹了生物信息與人工智能的應(yīng)用前景。

細(xì)胞譜系設(shè)施已納入粵港澳大灣區(qū)綜合性科學(xué)中心建設(shè)體系，未來(lái)將植根廣州國(guó)際生物島，賦能大灣區(qū)，鏈動(dòng)全世界。隨著細(xì)胞譜系設(shè)施的建設(shè)和使用，將吸引全球頂尖科研人才和團(tuán)隊(duì)匯聚廣州，開展科學(xué)研究與學(xué)術(shù)交流，共同推動(dòng)人類細(xì)胞譜系研究領(lǐng)域發(fā)展，將細(xì)胞譜系設(shè)施打造為世界級(jí)細(xì)胞科學(xué)中心。細(xì)胞譜系設(shè)施建成后將全方位支撐生命健康領(lǐng)域理論創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，服務(wù)研究機(jī)構(gòu)、高校、藥企和醫(yī)院，為新型顛覆性醫(yī)療技術(shù)的誕生奠定基礎(chǔ)。

▲自動(dòng)化空間多組學(xué)微流控系統(tǒng)

鏈接

細(xì)胞譜系設(shè)施科學(xué)目標(biāo)

繪制人類生命過(guò)程中的細(xì)胞動(dòng)態(tài)演變譜系，建立時(shí)空譜系信息與譜系樣品資源對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體系，高質(zhì)量保活保藏采集時(shí)空譜系信息的譜系樣品資源，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)形成呈現(xiàn)連續(xù)生命過(guò)程的細(xì)胞譜系數(shù)字孿生體系，解析人類呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)發(fā)育譜系，以及三種以上呼吸系統(tǒng)代表性疾病譜系，發(fā)現(xiàn)發(fā)育關(guān)鍵機(jī)制和疾病機(jī)理，形成設(shè)施引領(lǐng)的發(fā)育譜系、疾病譜系研究范式。

細(xì)胞譜系設(shè)施工程目標(biāo)

以自研科學(xué)裝置為基礎(chǔ)，以譜系資源為核心，通過(guò)自主開發(fā)集成空間多組學(xué)技術(shù)，建設(shè)領(lǐng)先的細(xì)胞譜系研究設(shè)施。通過(guò)系統(tǒng)性構(gòu)建樣品預(yù)處理、樣品保活存儲(chǔ)、多組學(xué)分析與鑒定、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和譜系驗(yàn)證的全流程自動(dòng)化，形成標(biāo)準(zhǔn)化、高通量、高質(zhì)量的細(xì)胞多組學(xué)研究平臺(tái)，建成國(guó)內(nèi)首個(gè)數(shù)字孿生索引的人類細(xì)胞譜系資源庫(kù)。

文圖素材來(lái)源 | 中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院、央視新聞

編輯 | 董敏煒

審核 | 劉肖勇 馮海波