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在過去的幾十年里，細胞生物學(xué)領(lǐng)域融入了許多技術(shù)進步。這些包括全基因組測序、單細胞 RNA 轉(zhuǎn)錄組學(xué)、細胞內(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)模細胞成像的進步使得積累適合高級數(shù)學(xué)分析的大數(shù)據(jù)集成為可能。

有了這些新工具，我們正在進入一個細胞生物學(xué)時代，在這個時代，理解和預(yù)測決定細胞功能的復(fù)雜調(diào)節(jié)機制、基礎(chǔ)科學(xué)與有用的治療方法 [i] 及其他生物經(jīng)濟產(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、控制和制造細胞的能力將不斷增強。

在國家標準與技術(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，以改進藥物開發(fā)、個性化醫(yī)療、細胞療法以及為健康、農(nóng)業(yè)和環(huán)境部門設(shè)計和制造細胞及細胞產(chǎn)品。

部分項目和成就

通過活細胞成像量化動態(tài)生物過程。細胞可以對包括化學(xué)、機械、電和光在內(nèi)的多種細胞外信號的組合做出反應(yīng)，并通過多步生化反應(yīng)處理這些信號。細胞中信號處理的隨機性質(zhì)導(dǎo)致一系列反應(yīng)。準確表征異質(zhì)細胞群體需要對具有統(tǒng)計顯著性數(shù)量的單個細胞進行采樣。最終，理解細胞的響應(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，從活細胞進行高速圖像數(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)習和非常大的圖像數(shù)據(jù)集實現(xiàn)無創(chuàng)干細胞成像?；罴毎上褡鳛橐环N表征和預(yù)測的強大工具，因為它提供了關(guān)于細胞形態(tài)和化學(xué)特征的定量數(shù)據(jù)，以及時間和空間信息。熒光標記和基因報告器為了解細胞的特定蛋白質(zhì)機制提供了一個窗口，但需要可能具有破壞性的輻射。我們在細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)中的干細胞進行分割和跟蹤。原則上，這種方法將能夠在制造過程中以最小的擾動對活的、未標記的細胞進行質(zhì)量控制。

改進基于細胞的療法和再生醫(yī)學(xué)的指標。這是先進細胞生物學(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胞治療產(chǎn)品和過程的技術(shù)。一種方法是創(chuàng)建報告細胞系，這些細胞系經(jīng)過工程設(shè)計，當細胞中重要的控制途徑被誘導(dǎo)時會產(chǎn)生熒光報告分子。這種方法將允許對制造協(xié)議進行實時監(jiān)測。

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