幹細胞具有全能性，可分化成人身體(ti) 的所有組織細胞類型。目前幹細胞和再生醫學研究已成為(wei) 自然科學研究中最引人注目的領域之一。

此前，權威學術期刊Nature發表了一項最新研究成果，即由中國科學院廣州生物醫藥與(yu) 健康研究院/廣州再生醫學與(yu) 健康廣東(dong) 省實驗室的彭廣敦課題組聯合其他權威課題組共同“繪製”的細胞成長軌跡三維立體(ti) 圖。

據了解，該文章被視為(wei) 或極大推動早期胚胎發育和幹細胞再生醫學相關(guan) 領域的發展。

在彭廣敦看來，這一漫長的“作畫”經曆正是一心想追尋細胞成長的軌跡，而接觸了越來越多的技術所創造的成果。

起源：學生物的博士“跨行”學起計算生物學

2009年，彭廣敦在中國科學院上海生物化學與(yu) 細胞生物學研究所博士畢業(ye) 後，赴美國加州大學洛杉磯分校從(cong) 事博士後工作。當時計算科學和生物學已經出現交叉融合的趨勢，各種測序技術蓬勃發展，大量的生物學數據亟待分析，加上自己本來就對計算機技術頗感興(xing) 趣，彭廣敦決(jue) 定去進行計算生物學的學習(xi) 和研究。

2011年，彭廣敦回國。參與(yu) 中科院戰略性先導科技專(zhuan) 項關(guan) 於(yu) 幹細胞與(yu) 再生醫學方麵的研究，負責研究幹細胞的發育譜係。此前的“跨行”經曆為(wei) 彭廣敦之後的研究開辟了新的局麵。

“幹細胞具有全能性，可以分化成人身體(ti) 的所有組織細胞類型，在當時已經是研究的前沿與(yu) 熱門話題。人們(men) 對幹細胞研究寄予厚望，希望它能夠為(wei) 治療各類疾病提供更好的方案，因此了解各種類型細胞是如何發育變化成長而來的就變得尤為(wei) 重要。”彭廣敦解釋道，此前研究細胞的家族和命運調控大部分隻是針對少量基因，並且在一個(ge) 較小的範圍去幹擾基因來研究一些具體(ti) 的功能，但“隻看到少量的基因活動，這對於(yu) 細胞的發育譜係研究可能是不完整和不全麵的”。

突破：獲得可分析空間特異細胞功能的利器

彭廣敦說，與(yu) 傳(chuan) 統的“一個(ge) 人做一個(ge) 基因的實驗”模式不同，計算生物學與(yu) 高通量測序技術結合給幹細胞的研究提供了另一種可能，通過測序並結合計算機對數據信息的挖掘，可以實現多角度、連續動態無偏差地觀察細胞的變化路徑。不過，想要更全麵認識細胞，需要在“空間”上實現突破。

彭廣敦解釋道：“細胞成長軌跡需要考慮基因在三維立體(ti) 層麵的表達。”領域內(nei) 還缺少可以探究高分辨率的空間定位與(yu) 基因表達信息的方法。而技術相互結合提供了新的突破思路—— “激光切割是一個(ge) 較為(wei) 傳(chuan) 統的技術，但當時剛好興(xing) 起了單細胞測序技術。”他說，在顯微鏡下通過激光對特定位置的單細胞或少量細胞進行精確的捕獲，再結合單細胞測序技術，就可以獲得既具有空間信息而又有精確的細胞全轉錄組信息，這樣獲得了一種可分析空間特異細胞功能的利器。

這聽起來似乎是兩(liang) 個(ge) 技術的簡單疊加，但真正運用起來需要不斷去解決(jue) 許許多多細節問題。

彭廣敦介紹說，傳(chuan) 統上激光切割會(hui) 收取幾千幾萬(wan) 個(ge) 細胞，基因表達分析的難度較低，並且丟(diu) 失其中部分細胞並不影響實驗結果，而現在要對低至三五個(ge) 細胞進行激光切割則不能容忍細胞丟(diu) 失。這對利用單細胞測序技術帶來極大的挑戰，所以需要不斷對每個(ge) 技術流程中的環節等進行大量修改、優(you) 化和調整。

“我們(men) 反複地嚐試，試圖搭建全新的技術體(ti) 係。整個(ge) 實驗團隊針對不同的組合條件開展實驗，終於(yu) 獲得了新的技術路線，曆時約兩(liang) 年之久，團隊終於(yu) 取得了第一套質量特別好的數據。”彭廣敦說，實驗中做出來的切片因發現不滿足高標準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威學術期刊

2017年12月，廣州再生醫學與(yu) 健康廣東(dong) 省實驗室成立。省實驗室吸引了許多有誌於(yu) 幹細胞研究領域的科研工作者前來，彭廣敦也是其中之一。

建立了空間組學的分析技術後，彭廣敦的重頭工作就是通過在實驗室裏獲取不同發育時間的胚胎樣品描繪胚胎中多能幹細胞時間空間譜係決(jue) 定的全景式圖譜。

“這就好像給細胞拍了很多圖，我們(men) 通過前前後後的時間來看這些圖怎麽(me) 變，這些圖構成了動態譜係，包含了許許多多一個(ge) 個(ge) 細胞的出生成長經曆。”他說，這像是在“放一個(ge) 充滿故事包羅萬(wan) 象恢弘的電影片”。

在2019年8月，這部“電影短片”終於(yu) 完成。這項與(yu) 中國科學院分子細胞科學卓越創新中心/生物化學與(yu) 細胞生物學研究所景乃禾課題組、中國科學院-馬普學會(hui) 計算生物學夥(huo) 伴研究所韓敬東(dong) 課題組合作共同完成的“小鼠早期胚胎發育過程中全胚層譜係發生的時空轉錄組圖譜”工作，登上了國際權威學術期刊Nature。

彭廣敦介紹道，這項研究成果首次構建了小鼠早期胚胎著床後發育時期高分辨率時空轉錄組圖譜，獲得了超過2萬(wan) 個(ge) 基因從(cong) 時間和空間上的表達模式；並首次從(cong) 分子層麵揭示了內(nei) 胚層譜係在上胚層產(chan) 生前新的譜係來源，也就是說改變了傳(chuan) 統上“內(nei) 胚層細胞全部由上胚層細胞發育而來”的觀念，提出了有一部分內(nei) 胚層細胞是直接由原始內(nei) 胚層細胞發育而來，並且部分中胚層和外胚層細胞也可能有著共同的來源。為(wei) 人們(men) 理解胚層譜係建立及多能幹細胞的命運調控機製，提供了翔實的數據，也為(wei) 基於(yu) 幹細胞的再生醫學研究提供了嶄新的思路。

創新英雄：彭廣敦

畢業(ye) 於(yu) 中國科學院上海生物化學與(yu) 細胞生物學研究所，留學歸國後在中國科學院上海生物化學與(yu) 細胞生物學擔任助理研究員、副研究員。現任職於(yu) 中國科學院廣州生物醫藥與(yu) 健康研究院、廣州再生醫學與(yu) 健康廣東(dong) 省實驗室細胞譜係中心；承擔國家重點研發計劃“幹細胞及轉化研究”重點專(zhuan) 項、中國科學院“器官重建與(yu) 製造”戰略性先導科技專(zhuan) 項等科研項目。

創新感言：

“科研上的創新需要跨學科的技術人才。大家都不是孤立的存在。當多個(ge) 學科共同聚焦於(yu) 一個(ge) 問題時，往往能產(chan) 生意想不到的更好的解決(jue) 方案。如今科學發展日新月異，無論是在理論還是工具技術方麵，保持不斷學習(xi) ，都將有益於(yu) 研究工作並產(chan) 生長遠的效應。”

深入淺出：

彭廣敦解釋，獲取不同發育時間的胚胎樣品描繪胚胎中多能幹細胞時間空間譜係是對傳(chuan) 統發育譜係的部分補充：“在現有的前沿技術下帶來了不一樣的視角與(yu) 發現。我們(men) 看到幹細胞的譜係有了新的來源，新的變化路徑，這將會(hui) 為(wei) 以後的研究創造一些新的可能方向，比如說按照傳(chuan) 統方法通過幹細胞得到類似運動神經細胞可能要經曆漫長的分化與(yu) 培養(yang) ，而我們(men) 有可能提供一個(ge) ‘快車道’或者‘分岔路’。”未來，他與(yu) 團隊希望幹細胞時空譜係研究上繼續實現突破——“就好比以前做出了時長十秒的電影，以後能否放上幾分鍾、甚至更久；也加入更多的‘敘事手段’來，把電影變成一個(ge) 多彩的‘聲情並茂’的故事。”