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企业 | 通过这台神奇设备,人类看到了奇妙的脑世界……

招商光谷 2019-04-14 13:41:19


图 | 武汉沃亿生物有限公司总经理陈谦

从大学学习材料专业,到毕业后进入家族的钢材公司;从离家第一次创业,到重返校园进修材料物理与化学;从硕士毕业,转而进入医疗器械行业……陈谦的身上,始终有一股不安于现状的冒险基因和对高技术产业的执着追求。

2012年,陈谦与汉信资本董事长王卫国共同出资成立武汉沃亿生物有限公司,专注于高端精密仪器领域。

2013年10月,武汉光电国家实验室(现为武汉光电国家研究中心)重大成果MOST(显微光学切片断层成像系统),在武汉光谷联合产权交易所挂牌转让。沃亿生物通过公开竞标,拿到了MOST技术专利。

陈谦,武汉未来科技城高科技企业沃亿生物有限公司总经理。

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MOST的工作原理类似用卫星给地球做全景扫描。空间分辨精度达到亚微米级,不足一根头发丝粗细的1/60。利用光学成像手段,不仅可以看到局部神经连接,还能在全脑范围观察构建神经网络的三维“公路”和“铁路”。

世界上许多疾病,都是因神经线路“搭错”引起。科学家们希望,这项研究,能进一步推动人类对抑郁症、帕金森、老年痴呆症等疾病的了解。

图 | 美国科学家观察果蝇的大脑电路,研究感官信息如何影响运动活动。当它们移动通过特定环境并处理视觉和气味线索时,荧光灯便亮起。

在科学家们看来,人类对自然界与太空的探索已经很多,相比之下,对自己大脑的了解还太少。科研人员称,脑的细胞结构极其庞杂,一粒花生大小的鼠脑标本,需要10天才能完成切片成像,未来如实现人脑扫描,得50台MOST机器连续运转一年。

自2013年以来,美国、欧盟纷纷启动脑科研计划,大国在脑科学领域的角逐日趋激烈。美国前总统奥巴马称,这是太空竞赛以来世界研发水平的新高,旨在探索人类大脑工作机制、绘制脑活动全图,并最终开发出针对大脑疾病的疗法。

专利买回来后,沃亿生物研发人员开始消化技术,边设计边摸索,然后做评估,看哪些地方需要调整,再做出新的研发方案。

陈谦说,武汉光电国家研究中心的设备是研发人员自己组装的,对每一个零部件都很熟悉,只要设备能获得结果就可以了,而一个市场化产品需要有长期的稳定性,操作人员经过简单培训就能操作,不能复杂。就像早期的汽车,对司机要求很高,不光要学驾驶,还得学会维修,懂车辆内部结构。现在满街都是自动挡汽车,学个驾照就能开着跑,坏了打个电话有4S 店给你修。

如今的MOST就是“自动挡汽车”,系统更稳定,使用更方便,一个电话就能解决维护问题。

话虽如此,吃螃蟹的过程却并不轻松。

图 | 显微光学切片断层成像系统原理

图 | 荧光小鼠全脑范围内长程投射追踪

这种高端仪器,没有可以借鉴的对象,涉及的东西又太多。比如精度、系统稳定性、控制软件,即使很小的事情,也没有现成可借鉴的解决方案,都得自己去趟,还未知做得正不正确。

第一代产品的工程化,沃亿做了整整2年多,光调整方案就历经5到6轮。

例如设备的水循环系统,在实验过程中, 需要把残渣抽到一个过滤器里,再把清水排下来。由于一般的水过滤都是有压力的,但MOST设备要求不能有压力,把市面上所有的自动泵过滤装置买回来,试过都不行,只得自己研发。就这么一个小环节,工程师做了不下10种方案。

2016年成为了沃亿生物最关键的一年。

在原有产品基础上,研发人员引进了一些技术进行升级,推出了第二代3个系列的产品。比如在高尔基染色基础上推出了荧光染色设备。

从前期技术积累到后来的用户积累,沃亿已经跟国内外多家科研机构形成了前期合作,2017年订单达3000万元。

陈谦感慨地说,坐了4年“冷板凳”,沃亿终于熬到了黎明。第一代产品已申请十几项专利,第二代产品的20多项专利也在申请中。

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截至2017年9月,沃亿生物已经推出了4大系列产品。

BioMapping1000基于MOST技术,可对数厘米大小的样品进行立体成像,分辨率在三维方向上达亚微米水平。

该技术适用于Nissl、Golgi、HE等传统组织染色方法。设备能实现连续断层成像中组织切片、光学成像、图像配准的全自动化,可对完整大块组织样品实现高质量的数据采集,是获取生物组织三维结构信息不可或缺的数字化工具。

有了这一技术,可对小鼠全脑任意区域如大脑皮层、海马、小脑等神经元形态(树突大小、长度、分支数目等),进行描述和统计分析,也可对不同发育阶段大脑的神经网络结构形态进行观察和分析。 

同时,还能对感兴趣大脑区域的胞体个数、血管长度密度、平均管径、细胞到血管的距离等多个参数进行统计分析,通过对比正常与病理模式动物的脑血管网络结构,为脑血管疾病相关的发病机理和药物研发提供直接证据。

“你看,这个就是用树脂封装固化后的鼠脑,固化以后再用金刚石切片,不会散。一层厚度是1微米。”陈谦拿起一粒花生米大小的样本介绍,沃亿一直在与同济医院的教授合作从事脑血管、脑部肿瘤方面的研究,甚至眼球都可以切片做三维成像,未来科研应用十分广阔。

作为高精度的研究设备,核磁共振的精度是0.3毫米,而MOST为0.3微米,达到了亚微米级别,两者相隔1000倍。

他说,该公司已为国内多家科研院所和医疗机构提供了全方位的技术服务,探索性完成了人脑胶质瘤、眼球、前列腺组织、油菜种子等各种生物组织的Nissl、Golgi、HE整体染色包埋,24小时连续不间断数据采集。

MOST系统可用于构建不同脑疾病鼠全脑的图谱,以及鼠全脑内血管微循环的精细结构网。此外,应用还可拓展到对其他数厘米大小的昆虫、动物的胚胎、局部器官、植物、甚至某些材料等样品的高分辨率三维结构成像。

BioMapping3000荧光显微光学切片断层成像仪,是一种在厘米范围内实现突起级别的三维高分辨荧光成像设备,可用于自动获取全脑内神经环路成像和空间定位。在全脑成像的同时,进行细胞构筑的实时染色,具有宽场大容积层析成像的高通量多通道特点。

基于数字微镜阵列的结构光显微镜,稳定性高,可长时间、不间断采集三维数据。不仅可以用于准确定位神经元和定量分析其三维精细形态,还能借助细胞构筑信息,识别出单个神经元或特定功能神经环路的投射所途经的核团与脑区。

因此,特别适合于荧光标记小鼠的全脑连接图谱的获取、神经环路的全脑精准定位研究以及神经元的长程投射追踪。还有其它可被荧光激发的生物组织三维精细成像及重构。

BioMapping5000荧光显微光学切片断层成像仪,是在厘米范围内实现单细胞分辨的三维高分辨荧光成像设备,可用于自动获取全脑神经元完整形态成像和空间定位。特别适合于荧光标记小鼠单细胞分辨的全脑连接图谱的获取、神经元的长程投射追踪。

图 | BioMapping-5000

BioMapping6000荧光显微光学切片断层成像仪,可用于自动化快速获取全脑神经元类型和空间分布信息。仪器将结构光成像技术与振动切片技术相结合,通过交替进行成像和切片过程,实现对样本的快速成像,并在成像过程中自动化的收集切片,可用于后续的免疫组化染色和成像。所切削的琼脂糖样品制备简单,可在12小时之内完成0.5立方厘米小鼠全脑样品的荧光成像。

因而,特别适合荧光标记小鼠脑亚微米三维分辨的快速全脑成像。

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在全球,能做大脑生物组织三维成像设备的仅有3家企业。另外两家一个在美国,一个在德国,而MOST公认最具市场优势,也是当前脑科学领域最有力的研究工具。

在沃亿的订单中,基本都来自北京大学、上海交通大学、中科院上海药物研究所、山东大学等高校院所。

在我国“十三五”计划中,脑科学是与量子计算并重的科学研究领域。

但近年来,脑科学的世界性风靡,不仅仅是探索大脑奥秘和战胜疾病,还有深度人工智能的实现可能。

2017年1月,美国卡耐基梅隆的科学家们制造人工智能软件,在一对一的德州扑克对战中, 战胜了人类选手。人类选手在整个过程中,几乎没有胜算。Alpha Go不仅战胜了李世石,也战胜了中国的顶尖围棋手。对人脑神经网络的模拟,已成为脑科学研究的一个出口。

2017年,沃亿生物在东湖综合保税区成立全资子公司武汉沃亿光电科技有限公司,并有1000 平方米组装中心,正在抓紧生产。

尽管MOST的成果为完全自主研发,但作为世界最前沿的脑科学研究仪器,80%的核心部件仍需要进口。一台日本进口的滨松相机,不算镜头便已高达几十万元。此外,高精度运动装置、光源、显微镜等,MOST全部使用的全球最好部件。

陈谦说,MOST的核心部件需要进口,做成成套设备后,今年将进军海外市场。保税区对 “两头在外”的业务有利,而且国家对一些高科技产品是免关税的。随着自贸区建设的推进, MOST走遍全球将不是梦想。

2016年,沃亿引进北京信中利旗下基金,完成 A轮1000多万元融资。

除了卖设备,沃亿的商业模式中,也会涉及三维成像数据分析服务。过去两年,该公司已为研究院和医院的客户,做了100多例三维分析业务。

图 | Golgi染色的大鼠全脑矢状面重构和不同神经元形态结构展示

“尽管设备是公司主营收入,但MOST价格比较高,有些需求不那么大的机构,更适合购买检测服务。”他说,沃亿也能根据他们的需求进行处理后,提供检测报告。

当被问到创业5年,最难的是什么?“是不知道解决困难的方法是否对路,以及企业生存的压力还有企业的生存问题吧。”陈谦说。说到底,是在未知路上前行时对自己的信心。

每一个手忙脚乱,每一个漏洞百出,都成为让企业变得更强的推动力。未来已来。陈谦脚下的创业之路虽荆棘丛生,但依旧不忘仰望星空,和20岁年少时一样。


转载自公众号:武汉未来科技城

图文来源:武汉未来科技城


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