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近 20 年来,在生命医药领域,实验室技术的突破层出不穷,这让科学家们得以更深入地认识生命和疾病。然而,实验室自动化的不足已成为一个日益突出的限制行业发展的问题。当前,无论是药物研发和筛选、基因测序等热门技术对于高通量需求的增加,还是精准医疗对临床检验结果提出了更快速、更精准的要求,或是疫情时期新冠病毒核酸检测需求的骤增以及对检测人员安全的更加重视等……这些挑战的应对之道都直指实验室自动化,新的「风口」已然形成。那么,在生物医药领域推动实验室自动化的难点有哪些?实验室自动化对行业发展的意义是什么?该领域的企业该如何打造自身的市场核心竞争力?实验室自动化未来发展趋势和重点方向又是什么?近日,丁香园对话镁伽科技首席科学家王承志博士,就以上话题进行了深入交流和探讨。 镁伽科技首席科学家 王承志博士 丁香园:在现代工业领域,自动化技术大大提升了生产力,推动了行业发展。那么,在生物医药领域,自动化技术似乎并没有发挥出类似的巨大作用。您认为导致这一现象的最主要的原因有哪些? 王承志博士:主要原因我觉得有以下几点: 首先,生物医药行业的场景复杂和丰富程度要远远超过传统制造业。生物医药的研究对象是生命体,这和传统行业截然不同。即使是最简单的生物体,其复杂程度也远远超过人类设计的任何机械结构。而我们研究的对象,从生物分子到生物体,具有很多层级,与其对应的研究方法也是复杂多变的。这种巨大的柔性需求对自动化提出了相当大的挑战。我们很早就开始研发能适应柔性控制的调度软件,帮助我们应对复杂的流程场景。 另外,生物学的研发实验还远未实现标准化,而标准化是自动化的前提。如果你去看已经发表的生物学实验的方案,就会发现同一个实验在各个实验室做的都有不同。哪怕是最基本的 PCR 反应,都有无数种实验方案,这常常使自动化工程师无所适从。我们在搭建自动化平台时,也花了很大的精力和资源把一些实验逐步进行了标准化,这是生物实验自动化的一个重要挑战。 最后,生物实验涉及到严苛的环境控制,包括很多生物样本需要极低温的存储环境,细胞生长需要严格的温度和氧分压、二氧化碳分压,一些病原体需要相应的生物安全防护措施等等。这些都对自动化操作带来巨大挑战。 由于这些因素,自动化技术在生命科学的应用一直存在较大瓶颈。我们前几年经过摸索,逐渐突破了一些技术壁垒,设计出一些相对标准化的自动化方案。 丁香园:您毕业于北京大学医学部,获病原生物学博士学位。先后在美国密苏里大学癌症研究中心、北京生命科学研究所和中国科学院学习工作。之所以选择任职镁伽科技首席科学家,投身于生物医药的智能自动化研究,是基于怎样的个人考虑和行业洞悉? 王承志博士:我在生物医药领域学习工作了近 20 年,深深感觉到这个领域的主要矛盾是工程技术的发展远落后于实验技术的发展。比如说,生物药在过去 20 年取得了巨大的进展,从单抗药到多抗、蛋白偶联药物、多肽药物等新技术层出不穷。但生物药的研发工具和 20 年前几乎没有很大的区别,这就让行业发展受到了很大的制约。 新的生物技术近些年发展特别迅猛,例如 CRISPR 基因编辑技术、单细胞组学技术等生物学工具都让生物学家以新的能力改造和分析复杂生物体。但是,因为工程技术的落后,现在这些技术都只能以很低的通量进行,大规模的基因编辑和单细胞组学迄今还实现不了。 另外,人工智能虽然近年来发展迅速,但是在生物医药领域的应用也相当有限。我认为最主要的原因是高质量数据的缺乏。现在生物学领域公共数据库的数据质量参差不齐,而且有很大的偏倚性(bias),并不适合 AI 算法的训练和提升。越来越多的人意识到,标准化、结构化的生物数据只有通过自动化技术才能获得。 基于这些思考,我认为利用工程技术,让生物医药的研发实现自动化、智能化是生命科学未来发展的大趋势,这是我加入镁伽科技的初衷。来镁伽后,我负责组建了国内自主研发的通用型自动化实验室——镁伽鲲鹏实验室,正在逐步实现最初的设想。 丁香园:能否分享下,作为一家国内优秀的机器人与生命科学自动化科技公司,镁伽科技是如何突破前述种种行业困境,将人工智能、机器人、自动化等技术融入到生物医药领域应用中去的? 王承志博士:首先,我们把复杂的实验种类抽象出一些共性的操作,例如分子生物学里的克隆构建、细胞生物学里的细胞操作等等。我们在过去针对生物学研发场景,设计了几套相对标准的自动化设施,包括自动化细胞生物学平台 MegaCell,自动化分子生物学平台 MegaMolecule,自动化病原生物学平台 MegaMicro 以及自动化组学平台 MegaOmics。 其次,设计平台的时候我们充分考虑了自动化平台的兼容性和开放性,我们很早就开始研发能够实现复杂动态调度的自动化控制软件,这使得我们可以把自动化技术融合到生物学研究的各个领域。 最后,我们招募了一批优秀的科学家,包括生物学家、药学家、化学家、生物信息学家、数据科学家等,并建设了自己的实验室——镁伽鲲鹏实验室。在鲲鹏实验室,科学家们和自动化工程师们协同工作,这样,我们可以把前面提到的这些平台应用到一些前沿领域,例如细胞和基因治疗、分子诊断和合成生物学。例如,对于细胞和基因治疗,我们正在用 MegaMolecule 设计和合成针对不同药物靶点的基因载体库,同时通过 MegaCell 平台在细胞水平做功能筛选,最后用 MegaOmics 的组学数据来验证。众多科学家的加入,让我们能够迅速把行业 Know-how 的理解和自动化、智能化技术相结合。 丁香园:在生物医药领域智能自动化的赛道上,与业内其他企业相比,您认为镁伽科技的核心竞争力体现在哪些方面? 王承志博士:首先,我们认为人才是公司的核心竞争力。镁伽是个人才非常多元化的团队,公司早期的研发员工主要是在工程方面的人才,他们奠定了镁伽在自动化底层技术的积累,包括精密的运动控制、以及一些传感设备等等。随着业务的发展,我们的团队开始多元化,包括生物医药领域、化学、生物信息、半导体以及人工智能等众多方向的人才。而且,当公司有越多优秀的人才,就会有更多人才愿意加入,逐渐地研发团队的能力就越来越强了。 其次,我们特别重视和客户深度合作,共同开发产品,而不是直接卖我们的产品。我们的核心客户每一家都经历了 18 个月甚至更长时间的产品试用、打磨以及技术的迭代升级,目前我们的核心客户实现了几乎百分之百复购。 最后,我们怀着高度开放的心态,愿意和行业合作伙伴们共同成长,例如,我们最近和上海的一家检测公司共同开发了 mRNA 和基因病毒载体的检测自动化流程,这为我们的产品进入细胞基因治疗领域提供了很大帮助。未来,我们会和更多的公司和行业专家合作,把我们的自动化技术应用到更多领域。 丁香园:您如何评价镁伽科技目前所掌握的技术实力?在这些年创新研发的产品和技术突破成果中,有哪些是您最引以为豪的?能否简要介绍下其价值所在。 王承志博士:镁伽鲲鹏实验室集成了镁伽在自动化、人工智能和生物学的技术积累,是我们过去最重要的成果。依托鲲鹏实验室,我们做了很多突破性的尝试。 例如,在药物研发领域,我们在去年已经基本实现了细胞基因编辑和 CRISPR 筛选的自动化,这些技术可以帮助制药企业更快地发现新的药物靶点。我们也建立了自动化的高通量筛选体系,帮助药企在短时间内筛选大量化合物库。 此外,我们还实现了自动化获取细胞图像数据和组学数据,这对科学家解析药物的作用机制至关重要。今年,我们和安捷伦合作,一起把色谱和质谱等样品的处理和检测实现了自动化,这会帮助药学家进行药物的分析和检测。接下来,我们会研发生物药以及基因药物的大规模自动化生产,解决行业的瓶颈。 我们在 2020 年疫情期间,集中了公司的主要研发力量开发了自动化病原样品分杯产品。之所以选择做这样的产品,是因为分杯,也就是咽拭子样品在核酸提取之前处理,是整个过程中最耗费人力和最危险的步骤。我们在非常短的时间内即将该产品推向了市场,取得了很好的市场口碑。 我们此后对产品进行了很多迭代,使得我们的产品能兼容市面上绝大多数咽拭子采样管。去年,我们在分杯产品的基础上,设计了国内第一套从样品管到核酸结果的全流程自动化系统,检测通量达到了每天检测 11 万人份的样品,帮助很多医护人员从繁重和危险的工作中解脱出来。 之所以能在这么短的时间内研发出这款产品,背后是基于我们在众多技术模块的积累,比如移液、运动动作、样品管理等。作为一家注重社会责任感的公司,今年上海疫情期间,我们也给上海捐赠了数套核酸检测设备。这些都是我们作为镁伽人非常自豪的地方。 丁香园:今年 6 月份,镁伽科技完成了 C 轮融资。在资本的青睐和加持下,镁伽科技的未来前景令人期待,能否透露下,未来一段时间内,镁伽科技的重点研发方向是什么?战略布局是怎样的? 王承志博士:首先,我们会重点加强智能化实验室相关产品的研发,包括实验室自动化软件 MegaFluent 、自动化生物学仪器,如自动化细胞培养、核酸提取和分析、以及检测仪器的开发;我们过去在研发端自动化做得比较好,今后我们也会投入更多研发力量在生产自动化,从而建立从研发到生产的全流程自动化。 接下来我们还会大力发展实验室数字化。当有了一定规模的自动化设备后,如何有效地管理所有实验的流程和结果就是我们面临的下一个问题。我们会从底层搭建一整套数字化系统,让实验从设计到结果分析都能实现云端化。 第三点,我们会在人工智能方向上加大投入。人工智能过去在生物医药领域没有得到广泛应用,最主要的原因是目前没有足够多的优质数据来支持模型的构建和算法的改进。自动化和数字化相结合,就可以带来大量标准化、结构化的实验数据,这为 AI 的应用提供了良好的基础。同时,人工智能的应用可以帮助科学家更精准地设计设计实验,从而提高研发效率。所以,我们要做的不是机器人实验员,而是机器人科学家。 |