追蹤細胞的“前世今生”，生命科學領域再添“國之重器”

細胞是生命的基本單元，人體由約40萬億細胞組成。這些細胞從一個受精卵開始，經歷增殖、分化直至衰老的全生命周期動態演化過程，就是“細胞譜系”。

日前，由中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院（簡稱“廣州健康院”）牽頭建設的國家“十四五”重大科技基礎設施——人類細胞譜系大科學研究設施（簡稱“細胞譜系設施”）在廣州國際生物島正式啟動建設。該項目規劃建設周期4.5年，總建筑面積超5萬平方米，將繪制人體中全生命周期的細胞時空演化圖譜，打造數字細胞AI大模型，構建數字生理人，創新生物醫療檢測新范式，開辟生物醫藥研發新賽道，在試劑、儀器、軟件和數據等方面產出一批創新性科技成果和產品。該項目是粵港澳大灣區首個生命科學領域的國家級大科學裝置，也是廣州市構建“2+2+N”科技創新平臺體系的重要內容之一。

▲啟動儀式

01

解碼生命奧秘，追蹤細胞的“前世今生”

古有扁鵲通過“望聞問切”診斷人體疾病，今有細胞譜系設施通過解碼細胞譜系預測疾病和篩藥驗藥。細胞譜系設施將以樣品保活存儲、空間多組學、先進成像等創新技術和裝置研發為核心，集成人工智能等前沿技術，繪制涵蓋發育、疾病、衰老三大維度的動態細胞圖譜，構建數字細胞AI大模型，催生生物醫藥研究新范式。

細胞譜系設施將建設繪制細胞譜系的自動化工程產線，包含樣本預處理、樣品存儲、多尺度成像分析、多組學分析、數據處理和驗證等工藝流程，標準化采集影像組、空間組、轉錄組、表觀組、蛋白組、代謝組、超微結構組等多種模態數據，建成數字孿生索引的細胞譜系資源庫。

這是繼“冷泉生態系統研究裝置”全面啟動、“夢想”號大洋鉆探船實現萬米深海突破、嫦娥六號月壤揭示月球演化奧秘后，廣州在科技創新領域的又一里程碑事件。作為粵港澳大灣區首個生命科學領域的國家級大科學裝置，該設施將繪制人類40萬億細胞的“數字家譜”，推動精準醫療與生物醫藥產業變革。

細胞譜系設施可追溯單細胞從誕生到衰亡的演化路徑，創建出涵蓋發育、疾病、衰老三大維度的數字化細胞譜系，為疾病預測、藥物篩選提供高精度導航。據介紹，它核心的亮點就是采集到生老病死過程中細胞的變化歷程，對細胞的變化有了解，人們就能知道生命是怎么運轉的。

“這就像為生命編寫一部詳盡的‘細胞家譜’，讓科學家乃至公眾能夠清晰追蹤每個細胞的‘前世今生’。”廣州健康院副院長（主持工作）、細胞譜系設施總指揮孫飛研究員表示。

02

破解制藥困局，打造“數字生理人”

隨著以ChatGPT和DeepSeek為代表的AI大模型技術突破，生物醫學進入數字化時代是必然趨勢。

據介紹，當前全球創新藥研發平均耗時10年、耗資26億美元，但臨床成功率不足10%，根本原因之一在于藥物研發過程主要在動物模型中進行的，不能準確模擬人類生理系統反應。

基于高質量規模化的細胞譜系數據，未來人類細胞譜系大科學研究設施將打造跟真人一樣能呼吸、會試毒試藥、可以新陳代謝的“數字生理人”，通過預演不同治療手段在“數字患者”體內的治療效果，助力精準診斷與治療。“數字生理人”通過回溯、模擬、預測疾病細胞譜系演化，不僅可以精準定位病變驅動關鍵靶點，還可以在數字人體測毒試藥，有望突破藥物研發的“死亡之谷”。

“未來，細胞譜系設施有望可以用患者細胞信息打造一個‘數字患者’，預演不同治療手段在數字患者體內治療效果，實現治療手段的‘量體裁衣’”。廣州健康院研究員、細胞譜系設施副總指揮兼總工藝師陳捷凱表示，設施將強化AI與數據資源整合，打造創新模型，并與龍頭企業開展深度合作，加速科研成果向臨床應用轉化。

細胞譜系設施是如何從人類組織器官上獲取信息，進而打造出“數字器官”和“數字生理人”呢？

據介紹，細胞譜系設施會陸續進行組織器官樣本處理、樣品存儲、多尺度成像分析、多組學分析、數據處理和驗證等流程，這些都將通過智能化、自動化生產線完成。

依托人工智能和云計算，該設施運用獲取的高精度、多模態細胞譜系信息，形成數字大模型，隨后還會利用活細胞資源進行驗證，最終獲得人體發育譜系、疾病譜系和衰老譜系。在此基礎上，匯聚出“數字器官”和“數字生理人”，用于疾病發展、衰老預測和藥物靶點的發現。

孫飛表示，“能夠實現每天250萬個細胞的分析。我們對一個肺組織的數字化，大概需要一年時間，如果放在一些小的實驗室，它可能得數十年才能完成。通過這樣一種標準化、規模化的數據生產的能力，來催生未來的全新的生物醫藥產業。”

03

從成果轉化到千億產業，建設世界級細胞科學中心

回望近代科學研究進程，科研范式經歷了實驗科學、理論科學、計算科學的迭代遞進。而隨著科研數據的爆炸式增長以及大數據、人工智能的飛速發展，被稱為“大數據科學”的新范式正在興起。

作為細胞譜系設施首席科學家，中國工程院院士鐘南山指出，該設施有望“產出引領世界的原創成果，培養一群頂尖人才，孵化一批創新企業，成為護佑人民健康的‘國之盾牌’”。

作為粵港澳大灣區生命科學創新的重要支點，該設施選址廣州國際生物島具有深意——與廣州實驗室等重大平臺形成“百米創新生態圈”，廣州實驗室也將參與聯合建設，可實現基礎研究、臨床轉化與產業應用的深度協同。該設施的落地正加速廣州以生物島為核心的“一核兩極多園”生物醫藥產業布局成型，聯動全市6800多家相關企業，加快打造3000億級產業集群。

在細胞譜系與生命健康戰略研討會現場，中國科學院院士徐濤介紹了高端醫療器械與科學儀器高質量發展的現狀與未來。中國科學院院士陳潤生介紹了生物信息與人工智能的應用前景。

細胞譜系設施已納入粵港澳大灣區綜合性科學中心建設體系，未來將植根廣州國際生物島，賦能大灣區，鏈動全世界。隨著細胞譜系設施的建設和使用，將吸引全球頂尖科研人才和團隊匯聚廣州，開展科學研究與學術交流，共同推動人類細胞譜系研究領域發展，將細胞譜系設施打造為世界級細胞科學中心。細胞譜系設施建成后將全方位支撐生命健康領域理論創新和產業發展，服務研究機構、高校、藥企和醫院，為新型顛覆性醫療技術的誕生奠定基礎。

▲自動化空間多組學微流控系統

鏈接

細胞譜系設施科學目標

繪制人類生命過程中的細胞動態演變譜系，建立時空譜系信息與譜系樣品資源對應的數字孿生體系，高質量保活保藏采集時空譜系信息的譜系樣品資源，根據標準化數據形成呈現連續生命過程的細胞譜系數字孿生體系，解析人類呼吸系統、循環系統和免疫系統發育譜系，以及三種以上呼吸系統代表性疾病譜系，發現發育關鍵機制和疾病機理，形成設施引領的發育譜系、疾病譜系研究范式。

細胞譜系設施工程目標

以自研科學裝置為基礎，以譜系資源為核心，通過自主開發集成空間多組學技術，建設領先的細胞譜系研究設施。通過系統性構建樣品預處理、樣品保活存儲、多組學分析與鑒定、數據呈現和譜系驗證的全流程自動化，形成標準化、高通量、高質量的細胞多組學研究平臺，建成國內首個數字孿生索引的人類細胞譜系資源庫。

文圖素材來源 | 中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院、央視新聞

編輯 | 董敏煒

審核 | 劉肖勇 馮海波