長期以來，由于對“健康快樂”的細(xì)胞多樣性結(jié)構(gòu)知之甚少，科學(xué)家無法進(jìn)一步了解一些由于疾病和藥物導(dǎo)致的細(xì)胞的變化。近日，一組揭示生物學(xué)領(lǐng)域的驚人多樣性現(xiàn)象的圖片在西雅圖發(fā)布——6000多張熒光標(biāo)記的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞(iPS)圖片涵蓋了大量豐富的細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)信息。

　　這些圖像的清晰程度讓一些科學(xué)家直呼不敢相信。圖片顯示，遺傳信息相同的干細(xì)胞，DNA(紫色)和細(xì)胞膜(藍(lán)色)的結(jié)構(gòu)也有差異。它們是由西雅圖艾倫研究所(The Allen Institute)旗下的艾倫細(xì)胞科學(xué)研究所(The Allen Institute for Cell Science)的科研人員研究得出的。

　　盡管目前還沒有研究數(shù)據(jù)公布，但是艾倫細(xì)胞研究所宣布了一個(gè)獨(dú)一無二的開放平臺(tái)——Allen Cell Explorer，這也是第一個(gè)可以窺察人體細(xì)胞的動(dòng)態(tài)數(shù)字化的工具。該平臺(tái)整合了大型3D成像數(shù)據(jù)，應(yīng)用人工智能、機(jī)器深度學(xué)習(xí)和CRISPR基因編輯等技術(shù)，系統(tǒng)性地創(chuàng)建了可視化的細(xì)胞組織預(yù)測模型和其他一系列強(qiáng)大工具。此外，這一開放的平臺(tái)將允許研究人員預(yù)測可能預(yù)示癌癥和其他疾病的細(xì)胞布局變化。

　　艾倫細(xì)胞科學(xué)研究所執(zhí)行所長Rick Horwitz博士表示：“這一前所未有的工具可能通過揭示細(xì)胞結(jié)構(gòu)層面意想不到的數(shù)據(jù)結(jié)果，加速干細(xì)胞研究、癌癥研究和藥物開發(fā)方面的進(jìn)展?！庇捎诩?xì)胞是非常復(fù)雜的，它涉及成千上萬的相互作用部件，一起協(xié)調(diào)工作來驅(qū)動(dòng)和調(diào)節(jié)細(xì)胞結(jié)構(gòu)及行為。Howitz還表示，已經(jīng)有大學(xué)的科學(xué)家、制藥公司在使用他們平臺(tái)的資源。但是他拒絕透露是哪些公司和大學(xué)。

　　該項(xiàng)目始于一年之前，Horwitz博士和他的研究團(tuán)隊(duì)將成年皮膚細(xì)胞重新編程成未分化的胚胎階段狀態(tài)，然后他們使用CRISPR-Cas9技術(shù)在基因中插入熒光蛋白“標(biāo)簽”，使得細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)光。這些基因包括了編碼細(xì)胞內(nèi)肌動(dòng)蛋白絲的基因，這一類蛋白有助于細(xì)胞移動(dòng)并保持其形狀。研究人員很快地清楚發(fā)現(xiàn)，即使來自同一親本細(xì)胞，所有遺傳克隆的細(xì)胞在其胞內(nèi)組分上迥然不同：例如線粒體和肌動(dòng)蛋白纖維的位置、形狀和數(shù)量都具有差異性。

　　值得一提的是，一體化細(xì)胞模型(The Integrated Cell Model)是Allen Cell Explorer中的一個(gè)特色組件，是應(yīng)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)預(yù)測人類干細(xì)胞胞內(nèi)組織結(jié)構(gòu)的第一個(gè)模型。為了創(chuàng)建模型，研究人員對數(shù)千個(gè)人類干細(xì)胞的高質(zhì)量圖像進(jìn)行了“培訓(xùn)”，以了解干細(xì)胞組件的組織方式。具體來說，計(jì)算機(jī)科學(xué)家使用深度學(xué)習(xí)程序分析了數(shù)千個(gè)圖像，并發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞胞內(nèi)結(jié)構(gòu)位置之間的關(guān)系。然后，他們使用這些信息來預(yù)測結(jié)構(gòu)可能的位點(diǎn)，比如當(dāng)使用程序改變細(xì)胞核的位置時(shí)，細(xì)胞會(huì)發(fā)生何種變化。該計(jì)劃旨在通過將其預(yù)測結(jié)果與實(shí)際細(xì)胞進(jìn)行比較來“深度學(xué)習(xí)”。

　　在接下來的幾個(gè)月中，艾倫研究所的研究人員將在細(xì)胞分裂的不同階段更新干細(xì)胞圖像，這也意味著這些細(xì)胞將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌募?xì)胞類型(如心臟細(xì)胞和腎細(xì)胞)。Horwitz認(rèn)為，在不同時(shí)間點(diǎn)捕獲細(xì)胞特征對于確定其基本發(fā)育或生長過程至關(guān)重要。

　　Horwitz還說道：“這是研究人員第一次使用‘深入學(xué)習(xí)’來嘗試了解實(shí)際上細(xì)胞如何組織自我的難題。我們現(xiàn)在大體依賴于教科書的示意圖畫，這些示意畫是基于藝術(shù)科學(xué)家對相對較少數(shù)量的細(xì)胞數(shù)據(jù)的詮釋。我相信簡單示意圖最終將被數(shù)量眾多的細(xì)胞數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型所取代。”

　　復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授陳力對第一財(cái)經(jīng)記者表示：“單細(xì)胞的圖像分析技術(shù)和基因分析技術(shù)是相輔相成的。細(xì)胞形態(tài)學(xué)的研究，通過對細(xì)胞變化的分析會(huì)讓人類知道更多以前未知的東西，現(xiàn)在這一領(lǐng)域才剛起步?！?/p>

　　陳力表示，可視化的細(xì)胞組織預(yù)測模型將對生物醫(yī)藥產(chǎn)生兩方面的重大突破——疾病診斷和新藥研發(fā)?！凹?xì)胞形態(tài)學(xué)在疾病診斷方面會(huì)比基因檢測速度更快，而且能夠通過細(xì)胞的變化很快找到新的藥物靶點(diǎn)，應(yīng)用前景巨大?！标惲Φ谝回?cái)經(jīng)記者說道。

　　據(jù)陳力介紹，他所在的復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)院也與相關(guān)中國公司合作，進(jìn)行細(xì)胞組織的可視化研究。細(xì)胞可視化分析涉及到的三大技術(shù)包括單細(xì)胞分離技術(shù)、細(xì)胞成像顯示技術(shù)和細(xì)胞形態(tài)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)。陳力對第一財(cái)經(jīng)記者表示：“這些技術(shù)都還面臨很大的挑戰(zhàn)，而且要通過多方合作開發(fā)才能投入到實(shí)際應(yīng)用，細(xì)胞可視化應(yīng)用的真正實(shí)現(xiàn)可能要5~10年時(shí)間?！彼€表示，這一技術(shù)對目前極具發(fā)展前景的合成生物學(xué)同樣有用。

　　對于艾倫細(xì)胞研究所的開放系統(tǒng)Allen Cell Explorer，陳力表示：“他們是希望鼓勵(lì)大家都到他的平臺(tái)上共享數(shù)據(jù)，最后建立一個(gè)庫。雖然這樣做很好，但是事實(shí)上具體的應(yīng)用會(huì)涉及到不同的細(xì)節(jié)要去設(shè)置，也并不是那么容易做到?！?/p>