未来医疗的“新大门”：定制化干细胞

王治钧

纳比哈博士在TED大会进行演讲

科学家提出设想，在未来，人类可以将自己的干细胞提前储存，需要新的神经元、肌肉细胞、皮肤细胞时，都可以从这个“干细胞银行”中将它们提取出来，而且身体免疫系统不会排斥或攻击这些新细胞。事实上，你的身体甚至意识不到这些新细胞是在细胞工厂制造的。近年来生物学、激光物理学和机器学习交叉领域的突破，使这一设想有了实现的可能。

这是如何实现的？首先，要从物理学开始讲起。

初识干细胞疗法

人體是大自然的奇迹，数以亿计的细胞同步工作为我们输送血液、分泌多巴胺，让我们感受大千世界。但随着年龄渐长，我们的细胞会变老，于是皮肤开始松弛，人体内的软骨开始严重磨损等等。衰老和疾病是自然规律，但干细胞可以让这个规律推迟，因为干细胞能够成为全能的替补细胞。

干细胞，一种具有自我更新能力和多向分化潜能的原始细胞，是机体的起源细胞，在一定条件下，可以分化成多种功能细胞或组织器官，所以又被称为“万用细胞”。干细胞植入人体后，可替代已损伤的细胞进行修复，从而达到治疗的目的，这就是干细胞疗法（Stem-celltherapy）。

干细胞示意图

干细胞疗法

通过对干细胞进行体外分离、培养、定向诱导分化等，能够培养出全新的、正常的、更年轻的细胞、组织、器官等。然后通过特殊的移植技术移植到体内，代替那些病患或不正常的细胞，从而恢复机体功能。其实，干细胞治疗并不新奇，造血干细胞移植治愈白血病的案例不胜枚举，这项技术也可以应用于肝硬化、脑瘫等疾病的治疗。

干细胞疗法遇难题

人工评估干细胞

科学家通过显微镜投屏，手工评估并移除不需要的细胞

定制化干细胞旨在制造能够真正对每个人有效的药物

干细胞疗法是未来医学重要的研究和应用方向。不过，制造干细胞并非易事，需要提取患者的血液细胞，加入化学物质把它们变成干细胞。然而，现实操作中最终得到的却是一盘非常杂乱的、不同方向（向眼睛、大脑、肝脏发展）的细胞，这些随机细胞必须被移除。

从前，研究人员只能靠手工操作移除这些随机细胞。纳比哈第一次造访哈佛干细胞研究所时，看到一位科学家在观察并评估干细胞——利用他们多年的经验和专业知识去确定哪些细胞质量低下，并移除不需要的细胞。这个手动过程非常耗时、乏味且产量很小。最终能够通过人体移植所需的最终质量保证测试的细胞，大约占总数的10%～20%，所以定制化的干细胞银行价值不菲。

想要让干细胞生产过程规模化且费用可承受，就需要把这个过程自动化，纳比哈博士决定使用物理方法去攻克这个难题。

干细胞激光定制化技术过程图

干细胞遇激光

纳比哈在求学期间就提出，可以创造性地使用激光来设计修改细胞。她还没有毕业就发明了细胞激光编辑发明专利——可以在精确的时间间隔里瞄准数百万个细胞中的任何一个。

为了提高用激光移除不需要的细胞这个过程的自动化程度，纳比哈在毕业后组建了团队，吸引来很多有物理学、干细胞生物学和机器学习背景的大咖研究者一起协作。他们使用机器来学习识别不需要的细胞并移除它们，还开发了算法，在寻找有用信息和图像方面也有显著成效，且成为机器学习的一个完美使用场景，革新了再生医学行业。

干细胞激光定制化技术的原理是：取一些血液细胞，放在卡盒中，往血液细胞里加入化学物质让它们变成干细胞，机器识别出不需要的细胞并用激光杀死它们。

为确定细胞质量的高低，科研人员还收集了大量数据，应用算法，根据各种因素确定细胞质量。细胞质量的判断标准为细胞形态——即细胞的形状、大小和密度。

机器决定打印细胞的时间和频率，并使用全自动系统来运行整个过程。经过反复修剪后，就可以得到专属的完美干细胞培养物，随时可以存入干细胞银行并使用。

干细胞疗法的未来在何方

随着费用的降低，科学家可以进行越来越大规模的临床试验，去开发还不存在的治疗方法。而且可以给新药物开发带来不一样的思路，也许会让未来变得更有趣。

在未来，将会出现大规模的干细胞农场，数百万的卡盒放着每个人的定制化干细胞银行

例如，现在我们服药在某种程度上其实是一种试错，你并不能确切知道这种药物是不是对你有效，只能先将它服入体内。但如果我们有一个芯片，内含你的细胞（如眼睛细胞、大脑细胞、心脏细胞、肌肉细胞、血液细胞）的微型人体复制品。我们就可以在实验室里首先测试它们是否有效。如果有效，就可以服药;如果无效，药剂师可以为你定制药物。这也是科学家多年来的希望和梦想。

如果说20世纪是药物治疗的时代，那么21世纪就是定制化细胞治疗的时代。终有一天，我们能够找到适合每一位患者的治疗方法，随着科学技术的高速发展，相信这一天的到来会比你想象的快得多。

（责任编辑/王佳颖 美术编辑/周游）

测试定制化药物是否对人体的细胞有效