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香港大學(港大) 工程學院生物醫學工程課程主任謝堅文教授領導的研究團隊研發了一個全新的大型計算技術——StaVia，可揭示隱藏在人類細胞中的龐大信息。

謝教授的團隊與香港大學李嘉誠醫學院（港大醫學院）生物醫學學院何永基教授和黃淵華教授合作，成功應用StaVia分析斑馬魚胚胎的發育過程——從單細胞如何成長並發展為完整的生物體，幫助更好地理解細胞生長與疾病。儘管人類與斑馬魚存在明顯差異，但實際上，70%的人類基因與斑馬魚相同。

謝教授表示：「StaVia 的成果非常重要，StaVia讓我們能夠首次詳細探索斑馬魚胚胎從受精後10小時至10天的完整發育過程，包括以往被忽略的細胞類型，為我們提供了有關細胞如何形成和發展的新見解，進而幫助我們理解其他生物體的生長與發育。例如，胚胎如何發育出神經系統（包括大腦和脊髓）、皮膚和感官器官（包括眼、耳、嗅覺系統）這是一種獨一無二的方法，能以高分辨率繪製發育的時間線。」

發展生物學研究的重要突破
研究團隊的主要成員Dr. Shobana V Stassen說：「StaVia 的另一個重要特點是，它開創了一個新領域，稱為『時空組學』。」StaVia能夠系統地分析細胞的時空組學數據。這些數據涵蓋了細胞分子層面的信息（例如基因、蛋白等），幫助追蹤單個細胞在不同時間和身體不同位置的活動和行為。「我們可以同時分析組織結構的空間信息、細胞的組學數據及其隨時間的變化。在StaVia 中，我們可以構建一個直觀的 『地鐵圖』，用於分析細胞在組織或器官中的時間軌跡和空間分佈。」

這種高精度的單細胞組學數據非常重要，能夠探測細胞的特性，並追蹤它們的轉變過程，從而了解疾病的進展。正因為如此，全球（包括美國、歐洲和亞洲）已開展多項研究項目，致力於繪製人體不同部位的 「細胞圖譜」。這些詳細的細胞「地圖」幫助科學家精準地研究組織和器官，從而改變對細胞發育和相關功能的認識。然而，隨著這些圖譜的數據規模和多樣性不斷增長，分析它們變得越來越具挑戰性。龐大規模的複雜數據不僅令追蹤不同細胞類型如何隨時間形成和變化困難重重，甚至將這些信息變得形象化也充滿挑戰。

謝教授補充：「StaVia 能夠整合複雜的多方面單細胞組學數據，展視細胞在不同生物過程（例如胚胎發育）中發展和變化的複雜路徑。我們的工具特別適合分析大型細胞圖譜，既保留了組學數據中的所有細緻細節，又讓科學家能夠直觀地理解細胞在時間與空間中的複雜行為。」

「它能發現許多難以用其他方法追蹤到的罕見細胞譜系與稀有的細胞命運，為我們提供有關疾病如何演變的線索。」

這項最新成果已發表於開放獲取期刊《Genome Biology》，題為《StaVia: spatially and temporally aware cartography with higher-order random walks for cell atlases》。

推動基礎生物學新發現
港大醫學院的其他研究人員已經在相關細胞研究中採用了StaVia。謝教授說：「細胞是生命的基本單位。如果你生病了，問題的根源就在細胞裡。這就是為什麼我對研究細胞產生了興趣。如果你想了解某件事，應該從根源開始。」

來自全球的研究團隊都在努力探索人類健康與疾病如何在細胞層面演變。謝教授指出：「這聽起來簡單，像是教科書裡的內容。但事實上，長期以來，沒有人能夠清楚理解這個問題。」

由於人體細胞圖譜仍有許多未知領域，StaVia 可用於基礎生物學或基礎研究，為生物學家和生物醫學科學家帶來新見解和知識。相關發現有望幫助解決全球性問題，例如老化。

「腦部疾病是另一個熱門研究領域。有些研究專注於人類腦細胞及其組學數據如何隨時間變化，例如從50歲到80歲。研究的最終目標是找出老化的標誌和關鍵驅動因素，並最終研發治療與老化相關腦部疾病的藥物。」謝教授說。他的團隊也與美國的多所大學開展了類似主題的合作研究項目。謝教授形容StaVia 是他和團隊（包括博士生和博士後研究員）開發的第三代計算工具。他憶述：「我們在2019年開始進入組學研究領域。」

目前，謝教授正與港大醫學院持續合作，利用StaVia 研究癌症的進展，追蹤細胞從疾病早期到晚期的演變過程。

有關研究文章詳情，請瀏覽：
https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-024-03347-y

關於謝堅文教授
謝堅文教授為香港大學電機電子工程系教授及生物醫學工程課程主任。他的研究涵蓋廣泛主題，包括用於成像流式細胞儀的超快速光學成像和高速體內腦成像及用於單細胞分析的生物資訊方法等。他是國際光電工程學會會士、香港研究資助局 (RGC) 研究學者 (2020)。他榮獲香港研究資助局頒發的2012-2013年傑出青年學者獎。他還獲得了2015年香港大學傑出青年研究獎以及2016年第十四屆中國青年科學家科學技術獎。謝教授擁有 11 項已授權和待授權的超快光學成像技術美國專利。同時，他是一家初創公司的共同創辦人，該公司將用於癌症篩檢和治療監測應用的高速顯微鏡技術商業化，並入圍 2019 年 Falling Walls Venture 前 10 名，更於 2024 年被評為 Google Cloud 初創企業。

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