科技周刊丨数字生理人，替你生病帮你试药

0次浏览发布时间：2025-04-16 07:57:00

“构建数字生理人”“为40万亿个细胞写‘家谱’”“解码生命之书的未来‘密钥’”……近日，国家“十四五”重大科技基础设施、广州“2+2+N”科创平台体系的重要一极——人类细胞谱系大科学研究设施（以下简称“细胞谱系设施”）正式启动建设，那么，接下来“数字生理人”如何构建？为细胞写“家谱”有什么用处？他们又将如何赋能生命科学和相关产业发展，成为护佑人民生命健康的国之“盾牌”？

带着这些疑问，记者来到已先期建成的细胞谱系设施研发楼，采访了设施牵头建设单位中国科学院广州生物医药与健康研究院（以下简称“广州健康院”）的专家，了解这一国之重器的运行之道。

数字生理人有什么用？

模拟生老病死抢占生命科学制高点

人体由约40万亿个细胞组成。最初，每个人都来自一颗受精卵细胞，随后不断分裂、增殖、分化，演变成不同的器官组织：肾、骨头、心脏等。细胞会生长，也会衰老、病变、死亡……而细胞谱系设施的核心工作就是为40万亿个细胞绘制“家谱”，解析细胞的生长、衰老与死亡程序，最终构建“数字化生命”，打造生命科学领域的超级大模型——“数字生理人”。

“构建这个细胞谱系大模型，将催生生物医药研究的新范式，对未来新药开发、疾病诊断、衰老预测具有重要作用。”广州健康院副院长（主持工作）、细胞谱系设施总指挥孙飞研究员告诉记者，未来，利用“数字生理人”大模型，医生可以在数字空间里进行精准的疾病诊断，新药研发者可以进行精准的新药物靶点开发。

生命科学和人工智能领域的交叉融合，在国际上已有成功范式。中国科学院广州生物医药与健康研究院二级研究员、细胞谱系设施副总指挥陈捷凯告诉记者，可预测蛋白质结构的人工智能系统AlphaFold去年就获得了诺贝尔化学奖，为生命科学研究领域带来了颠覆性进展。“因此，建设细胞谱系设施、打造‘数字生理人’大模型，正是我们抢占生命科学战略制高点的关键举措。”

陈捷凯透露，尽管细胞谱系设施还需要4年半时间建成，但依据目前的数据和模型算法的开发进度，未来一两年，“数字生理人”的基础版本——“数字细胞”就将面世。“随着设施的建成和数据的完善，数字生理人就会升级到2.0版、3.0版。而随着版本的跃升，模型性能也会大幅度提升。”陈捷凯表示，细胞谱系设施将通过生命最基础的细胞来模拟生命过程。

数字生理人“出厂记”

从ChatGPT到DeepSeek，过去两年来，公众对于大模型已经不再陌生，但因为模型被投喂的数据质量不高，大模型出现“灌醉”、“幻觉”、胡言乱语等情况比比皆是。

为了防止出现这样的状况，细胞谱系设施对“数字生理人”模型采集数据的质量要求非常高。据陈捷凯介绍，一直以来，在不同的生物实验室，实验主要由科研人员手动操作，其数据会存在一定偏差，这种偏差将让AI模型训练的性能下降。为此，细胞谱系设施早在立项之初，就要求所有的样品信息采集关键步骤都采用标准化无人操作，比如，每一个细胞样品从细胞消化到核酸提取的时间都是完全一致的。这些标准化程度非常高的数据保证了“数字生理人”模型的优越性能。

●获得组织器官：从医院获取符合伦理规范的组织器官，经初步检查处理后，通过灌流保持组织活性，转运至人类细胞谱系大科学研究设施。

获得组织器官

●获得内部结构信息：在保持细胞活性的前提下，通过材料填充，为样本提供物理支撑。进而CT成像，获取器官内部结构信息。

获得内部结构信息

●切块、成像、组学测定：样品进入切块程序，经过多次切割后，获得统一尺寸的标准组织块。组织块经OCT成像、喷码标记后，自动转运至切片流程。可以精确追踪每一个切片的空间结构来源。一些关键部分将采样进行超微结构成像，获取超微结构组数据。获得单细胞悬液后，通过微流控技术，精准捕获单个细胞，用于单细胞分辨率的组学测定。剩余的单细胞、标准组织块等，转运到细胞谱系资源库存储。

●获取多组学融合数据：标准组织块经低温自动切割成像后，用于空间组学分析。通过微流控等技术，对冰冻组织切片进行空间位置标记，获取具备空间位置信息的多组学融合数据。设施也将直接在冰冻组织切片上，获得具有亚细胞分辨率的基因表达、基因突变和空间位置信息。

获取多组学融合数据

●绘制数字生理人：收集完一系列信息后，依托人工智能和云计算，形成细胞谱系大模型，实现细胞谱系的数字孪生。验证后，最终获得人体发育谱系、疾病谱系和衰老谱系。在此基础上，绘制出数字器官和数字生理人。

绘制数字生理人

研发矩阵

仪器设备自动化、智能化、标准化

在细胞谱系设施研发楼，记者见到了科研人员研发的大量自动化、智能化、标准化仪器设备。

标记切片组织：自动化空间多组学微流控系统

“这是我们研发的自动化空间多组学微流控系统。”细胞谱系设施研发楼内的一位科研人员告诉记者，他们设计了两种微流控芯片，可以自动化对切片组织进行空间标记，为这些组织标上“坐标轴”，并自动标记生成包含不同信息的条形码。“自动化、均一化、标准化的操作流程，使效率得到极大提高。”

机械臂培养细胞：全自动细胞培养系统

研发楼内，记者见到一款具有全部自主知识产权的全自动细胞培养系统。该系统上下4层，每层6个小盒子，每个小盒子就是一个细胞培养箱，相较其他实验室培养细胞主要依靠人工操作，该系统侧面自带的机械臂，将提供标准化、自动化的操控。

自动化标准化检测：我国首台透射电镜TH-F120

研发楼内还出现了由广州生物岛实验室领衔研制，广州慧炬科技有限公司负责生产的我国首台透射电镜TH-F120的身影。科研人员介绍，他们正对TH-F120进行改造，使之能够实现对样品自动化、标准化的检测。

研发楼内，记者还见到了设施参建单位广州实验室自主研发的小型科研设备，包括高通量成像流式细胞仪、主动式单细胞测序仪、被动式单细胞测序仪，这些设备大部分是基于微流控技术的。

“沿途下蛋”

建设过程带动国产先进仪器试剂发展

值得一提的是，细胞谱系设施在建设“数字生理人”模型的过程中，也将大大提升我国科学仪器技术和产业的发展。

“在细胞谱系设施建设过程中，我们秉持了‘沿途下蛋’的理念，设施涉及的仪器设备中，85%以上都通过我们自主研制来完成。这些自主研制的科学仪器，在设施建设期间就可以进行相应的成果转化，推动我国科学仪器产业的进步。”孙飞提到，整个设施的建设过程将带来四项科技成果和产品，科学仪器是其中一项，第二项是先进的生物学试剂，第三项是人工智能和生物医学数据相结合的算法，第四项就是大规模、高标准的生物医学数据，“我们会在仪器、试剂、软件，还有数据方面，实现‘沿途下蛋’，推动粤港澳大湾区乃至全球的生物医药和健康产业发展。”

重构范式

观察生命—模拟生命—设计和改造生命

广州健康院相关人士介绍，基于海量的数据，科学家将构建“数字生理人”，不仅能模拟生命发育过程，还能“生病”“试药”和预测疾病发展，最终将重构生物医学研究范式。生命科学将完成“观察生命—模拟生命—设计和改造生命”的范式转换。

药物开发从盲筛走向推演

传统药物研发像“死亡之谷”，成功率只有10%。大设施则可通过回溯疾病细胞的谱系演化，定位驱动病变的关键靶点，发起“斩首行动”式精准打击。还可以让“数字患者”替你“试毒”“试药”，使药物研发周期从十年缩短到两三年，成本降低70%。

医疗决策从通用走向定制

在大设施支撑下，医疗决策可实现从群体统计学到个体系统生物学的范式跃迁。用患者特异性的基因信息构建一个“数字你”，模拟不同药物在“数字你”体内的作用路径，实现治疗手段的“量体裁衣”。

疾病从治疗走向预防

通过细胞谱系数据推演细胞命运，进而预演疾病发生轨迹，使我们拥有了在疾病发生前按下“暂停键”的能力。这将医疗干预的起点从病症爆发点前移至细胞编码程序失调的源头，推动医学范式从被动治疗向主动预防的跃迁。

●科学家解前沿

中国科学院广州生物医药与健康研究院二级研究员、细胞谱系设施副总指挥陈捷凯：

数字“分身”先试药真人临床少“踩雷”

陈捷凯告诉记者，细胞谱系设施建成后，将对生命健康产业的发展产生众多影响。

一是让科学家对疾病的了解更加深入。例如，现在科学家对肿瘤的形成机制仍然有很多疑问：为何一个致肿瘤的基因会导致细胞出现癌化，最终导致人患上癌症？这个作用机制中，有哪些地方是医学可以干预的？因为生命是由细胞组成的，通过细胞谱系设施，我们就可以解析这个过程，而“数字生理人”可以帮助科学家在计算机上模拟生命的生理活动，同时也可以模拟疾病过程。

通过对这一过程的推演，科学家有望找到干预靶点，从而发现新的靶向药物。陈捷凯说：“‘数字生理人’通过病源虚拟干预，可以生‘数字病’，我们就可以喂他吃‘数字药’，看哪种药最后能起效。这样能大幅度带动生物医药产业发展，实现‘换道超车’——通过细胞谱系设施，我们将从传统的生物医药研发赛道转换到数字化的赛道，这也是近年来科技发展主要的趋势。”

陈捷凯说：“目前，全球生物医药产业中，寻找先导化合物，进行新药研发是非常普遍的创新药模式，但发现先导化合物也有两种方式，一种是靶点依赖型，另一种是表型依赖型。其实，当下很多成功的新药仍是基于表型依赖型方法而发现的，速度较慢，有了‘数字生理人’后，就可以把原先需要在真实的生命现象中测试的过程，放到数字筛选上，这就会大幅度加快新药研发的进程。”

陈捷凯表示：“新药在进行一、二期临床时，失败率是非常高的，究其原因，主要是我们的药物在人体测试之前，不知道它的毒性和效果。科学家之前只能用小鼠、猪等动物做实验，得不到药物进入人体的真实反应。通过‘数字生理人’，我们将有可能预测这些新药在人体中会有什么反应，大幅度减少终将失败的药物进入临床试验的概率。”