干細(xì)胞具有全能性，可分化成人身體的所有組織細(xì)胞類型。目前干細(xì)胞和再生醫(yī)學(xué)研究已成為自然科學(xué)研究中最引人注目的領(lǐng)域之一。

此前，權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Nature發(fā)表了一項最新研究成果，即由中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院/廣州再生醫(yī)學(xué)與健康廣東省實驗室的彭廣敦課題組聯(lián)合其他權(quán)威課題組共同“繪制”的細(xì)胞成長軌跡三維立體圖。

據(jù)了解，該文章被視為或極大推動早期胚胎發(fā)育和干細(xì)胞再生醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

在彭廣敦看來，這一漫長的“作畫”經(jīng)歷正是一心想追尋細(xì)胞成長的軌跡，而接觸了越來越多的技術(shù)所創(chuàng)造的成果。

起源：學(xué)生物的博士“跨行”學(xué)起計算生物學(xué)

2009年，彭廣敦在中國科學(xué)院上海生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所博士畢業(yè)后，赴美國加州大學(xué)洛杉磯分校從事博士后工作。當(dāng)時計算科學(xué)和生物學(xué)已經(jīng)出現(xiàn)交叉融合的趨勢，各種測序技術(shù)蓬勃發(fā)展，大量的生物學(xué)數(shù)據(jù)亟待分析，加上自己本來就對計算機(jī)技術(shù)頗感興趣，彭廣敦決定去進(jìn)行計算生物學(xué)的學(xué)習(xí)和研究。

2011年，彭廣敦回國。參與中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項關(guān)于干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)方面的研究，負(fù)責(zé)研究干細(xì)胞的發(fā)育譜系。此前的“跨行”經(jīng)歷為彭廣敦之后的研究開辟了新的局面。

“干細(xì)胞具有全能性，可以分化成人身體的所有組織細(xì)胞類型，在當(dāng)時已經(jīng)是研究的前沿與熱門話題。人們對干細(xì)胞研究寄予厚望，希望它能夠為治療各類疾病提供更好的方案，因此了解各種類型細(xì)胞是如何發(fā)育變化成長而來的就變得尤為重要?！迸韽V敦解釋道，此前研究細(xì)胞的家族和命運調(diào)控大部分只是針對少量基因，并且在一個較小的范圍去干擾基因來研究一些具體的功能，但“只看到少量的基因活動，這對于細(xì)胞的發(fā)育譜系研究可能是不完整和不全面的”。

突破：獲得可分析空間特異細(xì)胞功能的利器

彭廣敦說，與傳統(tǒng)的“一個人做一個基因的實驗”模式不同，計算生物學(xué)與高通量測序技術(shù)結(jié)合給干細(xì)胞的研究提供了另一種可能，通過測序并結(jié)合計算機(jī)對數(shù)據(jù)信息的挖掘，可以實現(xiàn)多角度、連續(xù)動態(tài)無偏差地觀察細(xì)胞的變化路徑。不過，想要更全面認(rèn)識細(xì)胞，需要在“空間”上實現(xiàn)突破。

彭廣敦解釋道：“細(xì)胞成長軌跡需要考慮基因在三維立體層面的表達(dá)?！鳖I(lǐng)域內(nèi)還缺少可以探究高分辨率的空間定位與基因表達(dá)信息的方法。而技術(shù)相互結(jié)合提供了新的突破思路—— “激光切割是一個較為傳統(tǒng)的技術(shù)，但當(dāng)時剛好興起了單細(xì)胞測序技術(shù)?！彼f，在顯微鏡下通過激光對特定位置的單細(xì)胞或少量細(xì)胞進(jìn)行精確的捕獲，再結(jié)合單細(xì)胞測序技術(shù)，就可以獲得既具有空間信息而又有精確的細(xì)胞全轉(zhuǎn)錄組信息，這樣獲得了一種可分析空間特異細(xì)胞功能的利器。

這聽起來似乎是兩個技術(shù)的簡單疊加，但真正運用起來需要不斷去解決許許多多細(xì)節(jié)問題。

彭廣敦介紹說，傳統(tǒng)上激光切割會收取幾千幾萬個細(xì)胞，基因表達(dá)分析的難度較低，并且丟失其中部分細(xì)胞并不影響實驗結(jié)果，而現(xiàn)在要對低至三五個細(xì)胞進(jìn)行激光切割則不能容忍細(xì)胞丟失。這對利用單細(xì)胞測序技術(shù)帶來極大的挑戰(zhàn)，所以需要不斷對每個技術(shù)流程中的環(huán)節(jié)等進(jìn)行大量修改、優(yōu)化和調(diào)整。

“我們反復(fù)地嘗試，試圖搭建全新的技術(shù)體系。整個實驗團(tuán)隊針對不同的組合條件開展實驗，終于獲得了新的技術(shù)路線，歷時約兩年之久，團(tuán)隊終于取得了第一套質(zhì)量特別好的數(shù)據(jù)?！迸韽V敦說，實驗中做出來的切片因發(fā)現(xiàn)不滿足高標(biāo)準(zhǔn)要求而廢掉的就有好幾百塊，摞起來的架子比人還高。

成果：研究成果登上國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊

2017年12月，廣州再生醫(yī)學(xué)與健康廣東省實驗室成立。省實驗室吸引了許多有志于干細(xì)胞研究領(lǐng)域的科研工作者前來，彭廣敦也是其中之一。

建立了空間組學(xué)的分析技術(shù)后，彭廣敦的重頭工作就是通過在實驗室里獲取不同發(fā)育時間的胚胎樣品描繪胚胎中多能干細(xì)胞時間空間譜系決定的全景式圖譜。

“這就好像給細(xì)胞拍了很多圖，我們通過前前后后的時間來看這些圖怎么變，這些圖構(gòu)成了動態(tài)譜系，包含了許許多多一個個細(xì)胞的出生成長經(jīng)歷。”他說，這像是在“放一個充滿故事包羅萬象恢弘的電影片”。

在2019年8月，這部“電影短片”終于完成。這項與中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所景乃禾課題組、中國科學(xué)院-馬普學(xué)會計算生物學(xué)伙伴研究所韓敬東課題組合作共同完成的“小鼠早期胚胎發(fā)育過程中全胚層譜系發(fā)生的時空轉(zhuǎn)錄組圖譜”工作，登上了國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Nature。

彭廣敦介紹道，這項研究成果首次構(gòu)建了小鼠早期胚胎著床后發(fā)育時期高分辨率時空轉(zhuǎn)錄組圖譜，獲得了超過2萬個基因從時間和空間上的表達(dá)模式；并首次從分子層面揭示了內(nèi)胚層譜系在上胚層產(chǎn)生前新的譜系來源，也就是說改變了傳統(tǒng)上“內(nèi)胚層細(xì)胞全部由上胚層細(xì)胞發(fā)育而來”的觀念，提出了有一部分內(nèi)胚層細(xì)胞是直接由原始內(nèi)胚層細(xì)胞發(fā)育而來，并且部分中胚層和外胚層細(xì)胞也可能有著共同的來源。為人們理解胚層譜系建立及多能干細(xì)胞的命運調(diào)控機(jī)制，提供了翔實的數(shù)據(jù)，也為基于干細(xì)胞的再生醫(yī)學(xué)研究提供了嶄新的思路。

創(chuàng)新英雄：彭廣敦

畢業(yè)于中國科學(xué)院上海生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所，留學(xué)歸國后在中國科學(xué)院上海生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)擔(dān)任助理研究員、副研究員?，F(xiàn)任職于中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院、廣州再生醫(yī)學(xué)與健康廣東省實驗室細(xì)胞譜系中心；承擔(dān)國家重點研發(fā)計劃“干細(xì)胞及轉(zhuǎn)化研究”重點專項、中國科學(xué)院“器官重建與制造”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等科研項目。

創(chuàng)新感言：

“科研上的創(chuàng)新需要跨學(xué)科的技術(shù)人才。大家都不是孤立的存在。當(dāng)多個學(xué)科共同聚焦于一個問題時，往往能產(chǎn)生意想不到的更好的解決方案。如今科學(xué)發(fā)展日新月異，無論是在理論還是工具技術(shù)方面，保持不斷學(xué)習(xí)，都將有益于研究工作并產(chǎn)生長遠(yuǎn)的效應(yīng)?！?/span>

深入淺出：

彭廣敦解釋，獲取不同發(fā)育時間的胚胎樣品描繪胚胎中多能干細(xì)胞時間空間譜系是對傳統(tǒng)發(fā)育譜系的部分補(bǔ)充：“在現(xiàn)有的前沿技術(shù)下帶來了不一樣的視角與發(fā)現(xiàn)。我們看到干細(xì)胞的譜系有了新的來源，新的變化路徑，這將會為以后的研究創(chuàng)造一些新的可能方向，比如說按照傳統(tǒng)方法通過干細(xì)胞得到類似運動神經(jīng)細(xì)胞可能要經(jīng)歷漫長的分化與培養(yǎng)，而我們有可能提供一個‘快車道’或者‘分岔路’?！蔽磥恚c團(tuán)隊希望干細(xì)胞時空譜系研究上繼續(xù)實現(xiàn)突破——“就好比以前做出了時長十秒的電影，以后能否放上幾分鐘、甚至更久；也加入更多的‘?dāng)⑹率侄巍瘉?，把電影變成一個多彩的‘聲情并茂’的故事?！?/span>