未來醫(yī)療的“新大門”：定制化干細(xì)胞

王治鈞

納比哈博士在TED大會進(jìn)行演講

科學(xué)家提出設(shè)想，在未來，人類可以將自己的干細(xì)胞提前儲存，需要新的神經(jīng)元、肌肉細(xì)胞、皮膚細(xì)胞時，都可以從這個“干細(xì)胞銀行”中將它們提取出來，而且身體免疫系統(tǒng)不會排斥或攻擊這些新細(xì)胞。事實上，你的身體甚至意識不到這些新細(xì)胞是在細(xì)胞工廠制造的。近年來生物學(xué)、激光物理學(xué)和機器學(xué)習(xí)交叉領(lǐng)域的突破，使這一設(shè)想有了實現(xiàn)的可能。

這是如何實現(xiàn)的？首先，要從物理學(xué)開始講起。

初識干細(xì)胞療法

人體是大自然的奇跡，數(shù)以億計的細(xì)胞同步工作為我們輸送血液、分泌多巴胺，讓我們感受大千世界。但隨著年齡漸長，我們的細(xì)胞會變老，于是皮膚開始松弛，人體內(nèi)的軟骨開始嚴(yán)重磨損等等。衰老和疾病是自然規(guī)律，但干細(xì)胞可以讓這個規(guī)律推遲，因為干細(xì)胞能夠成為全能的替補細(xì)胞。

干細(xì)胞，一種具有自我更新能力和多向分化潛能的原始細(xì)胞，是機體的起源細(xì)胞，在一定條件下，可以分化成多種功能細(xì)胞或組織器官，所以又被稱為“萬用細(xì)胞”。干細(xì)胞植入人體后，可替代已損傷的細(xì)胞進(jìn)行修復(fù)，從而達(dá)到治療的目的，這就是干細(xì)胞療法（Stem-celltherapy）。

干細(xì)胞示意圖

干細(xì)胞療法

通過對干細(xì)胞進(jìn)行體外分離、培養(yǎng)、定向誘導(dǎo)分化等，能夠培養(yǎng)出全新的、正常的、更年輕的細(xì)胞、組織、器官等。然后通過特殊的移植技術(shù)移植到體內(nèi)，代替那些病患或不正常的細(xì)胞，從而恢復(fù)機體功能。其實，干細(xì)胞治療并不新奇，造血干細(xì)胞移植治愈白血病的案例不勝枚舉，這項技術(shù)也可以應(yīng)用于肝硬化、腦癱等疾病的治療。

干細(xì)胞療法遇難題

人工評估干細(xì)胞

科學(xué)家通過顯微鏡投屏，手工評估并移除不需要的細(xì)胞

定制化干細(xì)胞旨在制造能夠真正對每個人有效的藥物

干細(xì)胞療法是未來醫(yī)學(xué)重要的研究和應(yīng)用方向。不過，制造干細(xì)胞并非易事，需要提取患者的血液細(xì)胞，加入化學(xué)物質(zhì)把它們變成干細(xì)胞。然而，現(xiàn)實操作中最終得到的卻是一盤非常雜亂的、不同方向（向眼睛、大腦、肝臟發(fā)展）的細(xì)胞，這些隨機細(xì)胞必須被移除。

從前，研究人員只能靠手工操作移除這些隨機細(xì)胞。納比哈第一次造訪哈佛干細(xì)胞研究所時，看到一位科學(xué)家在觀察并評估干細(xì)胞——利用他們多年的經(jīng)驗和專業(yè)知識去確定哪些細(xì)胞質(zhì)量低下，并移除不需要的細(xì)胞。這個手動過程非常耗時、乏味且產(chǎn)量很小。最終能夠通過人體移植所需的最終質(zhì)量保證測試的細(xì)胞，大約占總數(shù)的10%～20%，所以定制化的干細(xì)胞銀行價值不菲。

想要讓干細(xì)胞生產(chǎn)過程規(guī)模化且費用可承受，就需要把這個過程自動化，納比哈博士決定使用物理方法去攻克這個難題。

干細(xì)胞激光定制化技術(shù)過程圖

干細(xì)胞遇激光

納比哈在求學(xué)期間就提出，可以創(chuàng)造性地使用激光來設(shè)計修改細(xì)胞。她還沒有畢業(yè)就發(fā)明了細(xì)胞激光編輯發(fā)明專利——可以在精確的時間間隔里瞄準(zhǔn)數(shù)百萬個細(xì)胞中的任何一個。

為了提高用激光移除不需要的細(xì)胞這個過程的自動化程度，納比哈在畢業(yè)后組建了團隊，吸引來很多有物理學(xué)、干細(xì)胞生物學(xué)和機器學(xué)習(xí)背景的大咖研究者一起協(xié)作。他們使用機器來學(xué)習(xí)識別不需要的細(xì)胞并移除它們，還開發(fā)了算法，在尋找有用信息和圖像方面也有顯著成效，且成為機器學(xué)習(xí)的一個完美使用場景，革新了再生醫(yī)學(xué)行業(yè)。

干細(xì)胞激光定制化技術(shù)的原理是：取一些血液細(xì)胞，放在卡盒中，往血液細(xì)胞里加入化學(xué)物質(zhì)讓它們變成干細(xì)胞，機器識別出不需要的細(xì)胞并用激光殺死它們。

為確定細(xì)胞質(zhì)量的高低，科研人員還收集了大量數(shù)據(jù)，應(yīng)用算法，根據(jù)各種因素確定細(xì)胞質(zhì)量。細(xì)胞質(zhì)量的判斷標(biāo)準(zhǔn)為細(xì)胞形態(tài)——即細(xì)胞的形狀、大小和密度。

機器決定打印細(xì)胞的時間和頻率，并使用全自動系統(tǒng)來運行整個過程。經(jīng)過反復(fù)修剪后，就可以得到專屬的完美干細(xì)胞培養(yǎng)物，隨時可以存入干細(xì)胞銀行并使用。

干細(xì)胞療法的未來在何方

隨著費用的降低，科學(xué)家可以進(jìn)行越來越大規(guī)模的臨床試驗，去開發(fā)還不存在的治療方法。而且可以給新藥物開發(fā)帶來不一樣的思路，也許會讓未來變得更有趣。

在未來，將會出現(xiàn)大規(guī)模的干細(xì)胞農(nóng)場，數(shù)百萬的卡盒放著每個人的定制化干細(xì)胞銀行

例如，現(xiàn)在我們服藥在某種程度上其實是一種試錯，你并不能確切知道這種藥物是不是對你有效，只能先將它服入體內(nèi)。但如果我們有一個芯片，內(nèi)含你的細(xì)胞（如眼睛細(xì)胞、大腦細(xì)胞、心臟細(xì)胞、肌肉細(xì)胞、血液細(xì)胞）的微型人體復(fù)制品。我們就可以在實驗室里首先測試它們是否有效。如果有效，就可以服藥;如果無效，藥劑師可以為你定制藥物。這也是科學(xué)家多年來的希望和夢想。

如果說20世紀(jì)是藥物治療的時代，那么21世紀(jì)就是定制化細(xì)胞治療的時代。終有一天，我們能夠找到適合每一位患者的治療方法，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，相信這一天的到來會比你想象的快得多。

（責(zé)任編輯/王佳穎 美術(shù)編輯/周游）

測試定制化藥物是否對人體的細(xì)胞有效