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在過去的幾十年里，細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域融入了許多技術(shù)進(jìn)步。這些包括全基因組測序、單細(xì)胞 RNA 轉(zhuǎn)錄組學(xué)、細(xì)胞內(nèi)熒光探針的亞衍射分辨率、精確基因編輯等。“組學(xué)” 方法和大規(guī)模細(xì)胞成像的進(jìn)步使得積累適合高級(jí)數(shù)學(xué)分析的大數(shù)據(jù)集成為可能。

有了這些新工具，我們正在進(jìn)入一個(gè)細(xì)胞生物學(xué)時(shí)代，在這個(gè)時(shí)代，理解和預(yù)測決定細(xì)胞功能的復(fù)雜調(diào)節(jié)機(jī)制、基礎(chǔ)科學(xué)與有用的治療方法 [i] 及其他生物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品之間的 “缺失環(huán)節(jié)” 將成為可能。隨著對結(jié)構(gòu)與功能之間關(guān)系的這種理解，設(shè)計(jì)、控制和制造細(xì)胞的能力將不斷增強(qiáng)。

在國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)，我們正在開發(fā)系統(tǒng)，這將導(dǎo)致更好地量化和預(yù)測復(fù)雜的生物過程，以改進(jìn)藥物開發(fā)、個(gè)性化醫(yī)療、細(xì)胞療法以及為健康、農(nóng)業(yè)和環(huán)境部門設(shè)計(jì)和制造細(xì)胞及細(xì)胞產(chǎn)品。

部分項(xiàng)目和成就

通過活細(xì)胞成像量化動(dòng)態(tài)生物過程。細(xì)胞可以對包括化學(xué)、機(jī)械、電和光在內(nèi)的多種細(xì)胞外信號(hào)的組合做出反應(yīng)，并通過多步生化反應(yīng)處理這些信號(hào)。細(xì)胞中信號(hào)處理的隨機(jī)性質(zhì)導(dǎo)致一系列反應(yīng)。準(zhǔn)確表征異質(zhì)細(xì)胞群體需要對具有統(tǒng)計(jì)顯著性數(shù)量的單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行采樣。最終，理解細(xì)胞的響應(yīng)函數(shù)將使我們能夠預(yù)測產(chǎn)品的功效或制造過程變化的結(jié)果。在 NIST，從活細(xì)胞進(jìn)行高速圖像數(shù)據(jù)采集是用于收集開發(fā)預(yù)測模型所需的定量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的一種技術(shù)。

熱力學(xué)原理描述并預(yù)測細(xì)胞群體。生物過程可以用物理關(guān)系來描述，盡管在這一領(lǐng)域仍有很多工作要做。我們將細(xì)胞的異質(zhì)性建模為微觀狀態(tài)的群體，并應(yīng)用熱力學(xué)原理來預(yù)測群體反應(yīng)。

借助深度學(xué)習(xí)和非常大的圖像數(shù)據(jù)集實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)干細(xì)胞成像。活細(xì)胞成像作為一種表征和預(yù)測的強(qiáng)大工具，因?yàn)樗峁┝岁P(guān)于細(xì)胞形態(tài)和化學(xué)特征的定量數(shù)據(jù)，以及時(shí)間和空間信息。熒光標(biāo)記和基因報(bào)告器為了解細(xì)胞的特定蛋白質(zhì)機(jī)制提供了一個(gè)窗口，但需要可能具有破壞性的輻射。我們在細(xì)胞中使用熒光探針來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以對在非熒光(明場)照明下成像的培養(yǎng)中的干細(xì)胞進(jìn)行分割和跟蹤。原則上，這種方法將能夠在制造過程中以最小的擾動(dòng)對活的、未標(biāo)記的細(xì)胞進(jìn)行質(zhì)量控制。

改進(jìn)基于細(xì)胞的療法和再生醫(yī)學(xué)的指標(biāo)。這是先進(jìn)細(xì)胞生物學(xué)最令人興奮和最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用之一。一些基于細(xì)胞的療法已被證明可以治愈而不僅僅是治療以前致命的癌癥。在 NIST，我們正在開發(fā)將能夠更好地表征細(xì)胞治療產(chǎn)品和過程的技術(shù)。一種方法是創(chuàng)建報(bào)告細(xì)胞系，這些細(xì)胞系經(jīng)過工程設(shè)計(jì)，當(dāng)細(xì)胞中重要的控制途徑被誘導(dǎo)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熒光報(bào)告分子。這種方法將允許對制造協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

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