一小时的工作变成一分钟！再生医学和药物发现发展的巨大力量

一小时的工作变成一分钟！再生医学和药物发现发展的巨大力量

2019/03/31

一小时的工作变成一分钟！再生医学和药物发现发展的巨大力量 开发了一种自动并加速培养细胞精密处理的设备

激光和光响应聚合物快速、大量培养细胞分离纯化技术是 AIST 和 Kataoka Seisakusho 之间的合作联合研发投入实际使用如何区分必要和不必要的细胞人工智能，也可以实现精度。使用 iPS 细胞为药物发现和再生医学做出贡献预计能够做到这一点的自动化设备很快就会投放市场。

AIST的技术种子和企业资源创造新价值

——是什么促使AIST和片冈制作所开始联合研发？

苏丸JST（日本科学技术振兴机构）每年都会举办新技术说明会，向企业介绍来自大学和研究机构的技术种子，在会上，我所属小组的组长金森敏之介绍了我一直在研究的利用光响应材料和激光操纵培养细胞的独特技术。这是2014年。片冈制作所的人看到了它并产生了兴趣，从而促成了这个项目。

松本我们公司是一家激光加工设备制造商，并不专门从事生物技术，但当时我们正在探索新业务，正在研究我们的精密激光控制技术是否可以在生命科学领域发挥作用。当时我了解了须丸先生的技术，并预感到将其与我们公司的资源相结合可以创造新的价值，因此我们开始共同研究，更深入地研究用光处理细胞的技术。

苏丸我原来的专业是研究聚合物的物理性质，我是生命科学的新手。在此期间，我对光和光响应材料的结合产生了兴趣，并开始认为将光的特性应用到细胞处理中会很有趣，光可以精确地照射到狭窄的区域。

这是因为大多数培养细胞通过粘附某种支架来表达其功能。因此，在分离或纯化培养细胞时，必须用酶将支架基质剥离，以切断细胞之间的连接。这样做将不可避免地损害您的细胞。然而，我们认为如果我们能够直接在基板上操纵细胞，这个问题就可以解决。

　2002年，作为NEDO年轻项目，我们开始研究一种通过在光响应聚合物基质上培养细胞并从下方照射光来精确且无菌地处理细胞的技术。

松本“多能干细胞（iPS 细胞）”于 2006 年推出，因此利用光进行细胞处理的研究甚至在此之前就已经开始了。

苏丸当iPS细胞具有分化为体内各种组织和器官的能力时，未来利用人体细胞的势头越来越大，我认为这项技术也可能会发挥作用。然而，即使在 2006 年，这种需求还没有实现。

松本十多年过去了，利用 iPS 细胞的再生医学研究现已如火如荼地进行。将来，当使用此类人类来源的细胞时，预计将需要处理大量的培养细胞。结合了须丸先生用光精确操纵培养细胞的技术和我们公司的高速精确激光照射技术的高速处理培养细胞的技术一定会发挥作用。

2 m/s 的高速激光扫描

——你们的研发进行得怎么样了？

苏丸当使用培养的细胞进行医疗或药物开发时，需要各种过程，例如将必要的细胞与非必要的细胞分离、从基材中去除不必要的细胞以及将必要的细胞切割成适当的大小以进行大规模培养，但目前这些区分和分离都是由人类手动进行。如果有大量不需要的细胞，即使每个培养皿一小时也可能不足以处理它们。这将无法满足再生医学实用化时所需的大规模生产和质量控制水平。

　过去已经研究过使用激光从基质上培养的细胞中去除不需要的细胞的方法。最常见的方法是使用激光，它直接损伤培养基中的细胞。然而，这种方法会加热培养基和周围的细胞，这也会影响必要的细胞。此外，由于能量效率低，普通激光光源无法达到实用的加工速度水平。

　我认为这个问题可以通过使用光响应聚合物来解决。该方法利用涂覆在培养基质表面的光响应聚合物，将细胞无法感知的温和光转化为细胞能够感受到的刺激。当我们刚开始研究时，我们主要考虑通过用微小的光图案照射来操作该设备，但处理速度仍然存在问题，因此我们认为将片冈制作所极其强大的激光束与高速、精确的扫描技术相结合具有巨大的潜力。

松本为了将使用激光的细胞处理投入实际应用，我们需要提高细胞处理速度并能够处理大量细胞，但起初我们认为使激光扫描高速来实现这一点是很困难的。

　我们通过研究速度和能量之间的平衡开始了联合研究，以确定激光扫描是否可以以足够高的速度执行以处理大量细胞。在要求须丸先生通过反复试验开发和改进具有更高响应能力的聚合物基材时，我们从每秒几十毫米的速度开始进行激光扫描，并逐渐将速度提高到100毫米和200毫米，发现我们可以实现比我们预期更高的速度。即使速度高达 2 m/s，也可以进行足够的细胞处理。在2m/s的速度下，即使在需要处理大量细胞的场所也可以毫无问题地使用。这一成果的获得是一个重大转折点，加速了研究和开发。

苏丸　以 2 m/s 的速度移动的强光束对我来说是一个未知的世界，所以我非常担心该使用哪种波长的激光。哪种波长的光不影响细胞或培养基，而只影响基质？应用范围广的紫外线更好吗？想来想去，我请松本先生在原型设备上使用蓝光，以确认最初的原理。当我开始使用它进行实验时，我惊讶地发现，根据条件，甚至培养皿也会融化。通过实际实验，我发现如果选择紫外线的话，就无法避免这些问题。结果，我们能够确认我们选择的波长是精确的，可以驱动我们开发的各种光响应聚合物材料，同时不会损坏盘子。

　通过使用该光，仅利用光响应性聚合物层就可以将激光照射能量有效地转换为热，并且可以以位于其正上方的细胞为中心的球形方式升高温度。此外，由于温度在01秒后下降，因此可以有效去除不需要的细胞，同时将对培养基和周围细胞的影响降至最低。

　我之前提到，手动准备一个培养皿需要一个小时，但是使用这种技术，一分钟左右就可以完成一个培养皿。可以看到处理速度比传统方法提高了多少。

松本激光单元加工还有另一个优点。由于许多细胞只有在形成团块而不是单个时才发挥作用，因此必须在某种程度上对团块中的培养细胞进行操作。这一点尤其重要，因为 iPS 细胞如果破碎就会死亡。

　在正常的处理过程中，细胞被人类手动细分成一定的大小。结果，团块的大小发生变化，每个团块的培养环境变得不均匀，并且所得的培养细胞不稳定。

　然而，如果用激光切割它，则可以有效地创建尺寸均匀的细胞簇。只需以 300 μm 间隔用激光照射，用酶对其进行处理，然后将其从基材上剥离，即可创建 300 μm 的方形块。这使得培养环境均质化，从而可以稳定地维持iPS细胞的未分化状态。

使用AI识别细胞

——该设备还集成了人工智能（AI）。

苏丸是的，我们能够高速处理细胞，但我们的目标是一种能够自动识别和处理细胞的设备，而要实现这一目标，我们需要的不仅仅是我们拥有的技术，例如光响应材料技术和激光照射和处理技术。

松本因此，我们决定寻求来自不同领域的许多人的合作，包括 iPS Portal 有限公司的人员和名城大学科学技术学院的 Kazuhiro Hotta 教授。我们决定使用一个系统来分离细胞，该系统使用设备捕获细胞培养容器的显微图像，使用人工智能来区分必要和不必要的细胞，然后向去除激光发出指令以决定应去除哪些细胞。然而，我们对培养移植细胞需要哪些操作以及如何区分必要和不必要的细胞缺乏足够的了解。我们请当时在 iPS Portal 工作的 RIKEN BioResource 研究中心的 Yohei Hayashi 先生考虑这个问题。

　此外，在堀田教授的合作下，我们根据他的图像识别知识，使用深度学习的方法训练人工智能（AI）来确定细胞是否必要。人工智能加载了通过扫描获得的细胞图像以及大量关于哪些细胞需要、哪些不需要的“正确”信息，并且能够记住两者的模式。最近，人工智能已经在癌症诊断中得到实际应用，从诊断图像中检测病变，这种方法与此类似。由此，能够自动且高精度地判定细胞是否需要。

苏丸在松本先生的要求下与我们合作的各个领域的专家都是非常优秀的人，所实现的出色的基础技术令人惊叹。此外，片冈制作所立即将专业制造商水平的技术应用到其设备中。松本先生的审人能力，片冈制作所先生高超的技术能力和速度感，以及这群精英工程师的力量，让我在做项目时感到紧张。

松本实际应用过程中出现了各种各样大大小小的问题，但须丸先生都坦然面对。这就是为什么我们全力以赴研究如何将新技术融入我们的设备中。

　在开发这个设备的过程中，我们能够利用一些现有的技术，但我们还需要开发一些新技术。例如，由于我们以前从未使用过液体，因此我们需要开发一种技术，将激光加工技术应用于培养基中的细胞。此外，它必须具有高速扫描去除激光并仅在不需要的细胞的位置立即切换激光输出等的能力。虽然过去已经有能够进行这种切换的设备，但为了达到这次所要求的高速和高精度的水平，我们必须开发新的硬件和软件。

　该设备将这些各种新的基本技术整合为一。我们相信，通过这一发展我们能够培育的广泛技术将成为我们作为制造商的一笔巨大资产。

“为再生医学做出贡献”的共同愿望成为发展的动力

——可以投入实际运用的要点有哪些？另外，请告诉我们您的未来前景。

松本我认为我们能够持续发展四年的一个主要原因是须丸先生“通过将这项研究推向世界来为社会做出贡献”的愿望与我们公司“使之成为一项成功的事业并作为一家公司为社会做出贡献”的愿望是完美匹配的。如果存在差异，我们可能无法完成这个产品。

　另外，这次双方的技术对接很顺利，但如果他们一开始就没有见过面，就不会有对接的机会。我相信我能够取得成果是因为我有机会结识人们，并且因为我能够在组织和人们之间建立关系。

苏丸在开发过程中，发生了很多意想不到的事情，比如iPS细胞无法培养，或者对细胞造成损害的操作没有按预期反应，让我多次惊出一身冷汗。在这种时候，派上用场的是我迄今为止通过研究积累的详细知识。通过调动所有这些专业知识，我们成功地将其投入实际应用。

　另外，由于AIST拥有广泛领域的技术，因此具有能够轻松应对各种问题的优势。尤其是这一次，我学到了很多东西，因为我接触到了机器和人工智能等我不熟悉的领域的技术，这也让我意识到我需要重视AIST的广度。

松本由于我们没有任何生命科学技术资源，因此我们在 AIST 的帮助下开发了它。对我来说特别重要的是，他告诉我我们未来想要走什么方向，以及我们在这样做时会面临哪些挑战。能够以未来的眼光来把握故事，支持了我接受新领域的挑战，也为我开发世界上不存在的新设备提供了巨大的动力。

苏丸该设备于2018年建成，能够高速、自动识别和纯化培养的细胞类型，切割细胞单层、匀浆和细分。未来的工业需求是什么，我们还得拭目以待，但我相信，这个装置的建成，将会刺激市场，让需求更加明显。

松本目前，使用iPS细胞来源的心肌细胞和神经细胞的临床试验刚刚开始，需要处理大量细胞的人们，例如制药商和参与再生医学的人们，对这种设备表现出了极大的兴趣。我们将继续研究和开发，以提高准确性和安全性，使该设备能够实现我们为再生医学做出贡献的最终目标。

苏丸新开发的高速照射强激光束的技术也是一种高度通用的技术，可以应用于生物技术和材料以外的领域。我们还开发了其他光响应材料，它们对光具有多种响应特性，我相信该设备可以提供一个平台，用于根据需要操纵这些材料和许多其他光响应材料。例如，它可以应用于图案化和表面处理等制造。

　“将技术带入社会”是AIST的使命。因此，AIST要创造的不是明天成为产品的技术，甚至不是100年后可能需要的技术，而是面向未来10年左右的技术。企业不愿意开发前景不确定的技术，所以我认为这是AIST的范围。

AIST 是一群每天开发和积累此类技术种子的研究人员和工程师。我相信AIST拥有的种子对于那些有“我想尝试这样的事情”的想法的公司来说绝对有用。请告诉我们您的需求，我们会相应地做出回应。