近日，经过两个多月的漫长等待，一份特殊的“亲子鉴定”报告出炉，13头克隆小猪与“代孕”母亲无血缘关系，仅与供体细胞存在“亲子关系”。这从医学上证明了，世界首例机器人操作的体细胞克隆猪在中国天津诞生。
经过110天孕育，4月26日、29日，两头普通的“代孕”母猪先后顺利产下了13头健康的纯种小长白猪。较之以往“手工操作”克隆技术，此次机器人的自动化“操刀”，用力更小，对细胞伤害更少，更高精度的操作将体细胞克隆技术成功的关键指标“囊胚率”从10%提高至20%。这一数据令全球同行惊讶不已。
“机器人操作体细胞克隆猪”研究来自南开大学机器人所赵新教授领导的跨学科研究团队，天津市畜牧兽医研究所是主要合作单位。南开大学机器人所研发多年的“面向生物医学工程的微操作机器人系统”，曾获2002年度国家技术发明二等奖。此次克隆猪的诞生，也是时隔15年后，该技术获得的又一重大突破。
体细胞克隆是改良生物品种的经典方法之一。它将普通品种卵母细胞的细胞核去除后，注入优良品种的体细胞。这种方法的优势在于获得的后代一定是优良品种。然而，成功率极低，成为体细胞克隆技术发展的瓶颈。
“作为最复杂的微操作之一，体细胞克隆技术急需实现机器人化。通过机器人化体细胞核移植操作，提高后续细胞培养成功率，进而提高整个体细胞克隆技术的成功率，是我们面临的真正挑战。”赵新说。
针对上述问题，南开大学研究团队面向生命科学发展需求展开科研攻关，研制出具有可视化、微创化、定点化、定量化功能，集检测分析与操作于一体的原位显微分析与操作仪，利用该仪器实现了机器人化的细胞核移植流程。
据介绍，基于机器人微操作的体细胞克隆技术的关键难点在于，如何最大限度地减少对细胞的伤害。南开大学团队设计并实现了机器人化的细胞核移植流程，包括卵母细胞拨动寻找极体、抽核和体细胞注入三部分。
科研人员通过分析微操作工具与细胞接触过程中的细胞受力情况，分别实现了基于最小力的细胞拨动与抽核，保证了细胞核移植操作过程中细胞受力最小。“手动操作拨动细胞，细胞最大变形30至40微米，经过计算后的机器人操作细胞最大变形降低至10到15微米。如果以往的力度是‘一记重拳’，那么现在就是‘轻轻一推’。”赵新介绍，该微操作系统采用基于平衡压模型的操作，也让抽取细胞核的过程更加“可控”“温柔”。
实验结果表明，基于最小力的细胞拨动方法显著减少了对细胞的伤害；后续细胞培养表明，与人工操作相比，基于最小力的细胞抽核操作，细胞后续发育率显著更高。
“最令人兴奋的是，在体外实验中我们采用这套微操作平台对53个卵母细胞进行核移植，其中11个重构胚发育成为标志着克隆成功的囊胚，发育率达到21%。而此前体细胞克隆的囊胚率始终维持在10%左右。”赵新说。
为了让这项技术“开花结果”，南开大学科研团队，将该核移植方法应用于整个克隆猪流程，先后完成了数千例核移植操作，来验证方法的有效性。2017年1月初，分四批完成了510例核移植操作，并将这510枚克隆胚胎移植到6头母猪体内。最终，两头母猪顺利受孕，并与4月26、29日分别产下7头、6头，共计13头健康的克隆猪。
“我们的研究第一次从细胞的发育角度指导微操作，通过细胞受力将微操作过程与细胞发育结果建立联系。这套方法的推广可进一步提高微操作技术对整体生物过程的贡献。可以预见，在辅助生育、动植物品种改良以及大众医疗、家畜生产等领域具有很好的应用前景。”赵新说。
据了解，该项目获得国家重大科研仪器研制专项、“863”计划先进制造领域、天津市智能机器人重大科技专项支持。(张道正 吴军辉)
