全自动干细胞诱导培养设备效果图
近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院承担的国家重大科研装备研制项目“全自动干细胞诱导培养设备研制”完成研制，标志全球首台自动化无人坚守、应用深度神经网络的智能化干细胞诱导培养设备诞生。
该设备为我国全自主知识产权，首次实现了以机器学习及人工智能算法为逻辑判定的细胞重编程命运的自动化诱导。整机技术及识别核心算法的应用已达国际“并跑”；个别关键技术实现了“领跑”。
设备的成功研制，改善了我国高端生命科学仪器装备几乎依靠欧美进口的局面，其成果展示了我国在细胞制备领域高端科研装备的先进性；为降低细胞的生产成本提高细胞制备质量，更广泛的服务临床奠定了装备基础。
主机台内部
干细胞（Stem Cells）是具有自我复制功能及多向分化潜能的细胞，在特定条件下能再生成人体的各种细胞、组织或器官，医学界称为“万能细胞”。干细胞在基础研究和转化医学应用中具有重要意义，在再生医学、疾病模型、药物筛选、精准医学等领域具有广阔的应用前景。
基于常规干细胞存在的不足，干细胞研究兴起了诱导多能干细胞（iPSC）新领域的发展，从而解决了干细胞作为种子细胞的来源问题。iPSC在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等都与胚胎干细胞极为相似，是胚胎干细胞的完美替代细胞。目前，iPSC的研究广泛应用于新药研发、神经损伤修复、心肌细胞修复、组织器官再生或移植等再生医疗研究领域。
主机台局部效果图
目前，干细胞诱导、培养及筛选过程均只能依靠人工操作完成。一方面，由于缺乏对细胞命运变化及iPSC克隆筛选和扩增的实时及定量监控，难以实现干细胞诱导流程的规范化与标准化；另一方面，人工操作效率低、成本高、通量低、安全性差等问题进一步限制了干细胞在再生医学研究领域中的普遍应用。因此，如何实现干细胞自动化规模化的均质培养与扩增，避免批次不统一、质量不均一等安全性问题，全自动化的细胞制备是iPSC技术走向实际应用亟需突破的瓶颈。
矩阵式自动化培养箱
为满足国家战略的需求，针对干细胞与再生医学发展技术需求及干细胞装备研发现状，广州生物院以原创新技术为核心，利用院内国际领先的iPSC技术、干细胞诱导分化技术等研究成果，结合自动化技术，项目团队历时4年，集智攻关，攻克了8项关键技术，其中包含2个核心技术，并取得多项创新性成果，研制出国际首台干细胞自动化、智能化诱导培养设备。
自动化液体处理系统效果图
这台设备拥有完全自主知识产权，建立了从细胞培养、显微在线观测、移液换液、算法识别、克隆挑取及设备控制的装备技术，实现了iPSC自动化诱导培养、扩增、成像、移液换液、挑克隆，下游分化等功能。华大基因研究院、华东理工大学等多家用户单位对全自动干细胞诱导培养设备进行了测试，验证了设备进行干细胞诱导培养的可行性。
高精度克隆挑针挑取克隆的数值模拟云图
全自动干细胞诱导培养设备从诱导多能干细胞重编程全过程研究出发，建立全程自动化细胞培养诱导技术体系，利用人工智能机器学习辅助无损无标记分析手段，建立细胞极性变化为基础的命运调控的数学模型，从而指导细胞重编程理论在干细胞获取领域从理论模型到制备整机技术的全线突破，实现重编程多能细胞（iPSC）暨干细胞的制备。该自动化智能技术可实现24人次为周期的GMP级别的细胞制备通量，为我国的生物先进制造提供了上游细胞来源的装备保障。
全自动干细胞诱导培养设备
首台全自动干细胞诱导培养设备的成功研制标志着我国在干细胞装备领域的自主研发取得新的突破，推动了我国干细胞基础研究和临床应用的发展，为再生医学及精准医疗的研究奠定了装备基础，具有强大的市场竞争力和广阔的市场前景。
目前，该项目是财政部十二五期间的国家重大装备研发任务之一，已顺利完成技术验收及财务验收，即将开展项目综合验收。
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