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細胞是生命的基本單位，人體內的細胞經過長期不斷演化形成不同形態，建構各種器官，免疫系統等，細胞老化或在演變過程中出現問題會衍生各種疾病。

過去一個多世紀，科學家一直努力鑽研不同的方法，試圖拆解細胞中蕴含的大量生物訊息，期望更透徹了解細胞運作及細胞在正常健康或老化過程中出現的變化，更重要的是預知如癌症等疾病的形成、發展和治療預後情況等。而細胞的基因序列和相互關係、蛋白質成分和代謝物等的組學研究，涉及大量的數據分析，拆解需要能處理龐大數據的精準運算方法，這一直是個巨大的挑戰。

香港大學（港大）工程學院電機電子工程系謝堅文教授領導的跨學科研究團隊，開發了一種能處理龐大數據並作出精準推算的新穎計算工具，一些内地和海外的科研團隊，已應用於新冠病毒研究，追蹤人體接種疫苗後，對不同病毒的免疫反應。研究成果已於學術期刊《自然通訊》（Nature Communications）内發表。

「目前有各種具高精準度的「組學技術」，收集有關單細胞的多方面信息，例如細胞中「打開／關閉」的基因目錄或細胞中存在的蛋白質類型等，但這些計算方法都無法處理龐大（超過數百萬個細胞）的複雜單細胞組學數據，而很多時僅用來分析某一項特定的細胞特徵。因此，我們一直缺乏有效的解決方案，對細胞的發展作全面的軌跡推斷。」研究團隊成員李嘉誠醫學院生物醫學學院副教授何永基博士說。

謝堅文教授進一步解釋：「細胞在正常健康和疾病過程中演變成不同的細胞狀態和類型，要準確預測這些演變的軌跡，從而了解身體如何正常發育及如何染病等，我們需有能力測量和分析每個細胞的所有相關特徵。這就好像登山者在山峰循不同的途經進發，我們在出發前向每位登山者深入查問，收集他／她的身份、登山裝備、身體／精神狀況等信息後作運算，從而推算出他們的登山軌跡，甚至預知他們會如何應變，是否成功等。」謝教授也是工學學士（生物醫學工程）課程總監。

謝教授團隊開發的名為VIA的新軌跡推理算法，利用一種新穎的「無監督式」機器學習方法，模擬人類的思維過程，像人腦般發掘數據背後的邏輯規律作推敲。在引導VIA機器學習的過程中，團隊廣泛收集包括單細胞蛋白質組學、基因相關和其他生物訊息的組學數據，對各個重要的生物過程作了全面的分析研究。

「我們的方法，通過新策略能夠有效地識別生物演化的最佳軌跡，無論細胞軌跡有多複雜。需要處理的細胞數量以百萬計，VIA依然取得良好效果。」該項研究的第一作者及電機電子工程系學生Shobana Stassen解釋說。Shobana最近獲授港大「校長傑出博士生獎學金」。

VIA處理數據規模之龐大、精準度之高，目前未有任何運算方法能及。例如，VIA能推算出在骨髓造血過程中，細胞狀態微妙複雜的轉變，從而可預測一些像血癌等的病變及病情發展，為治療方案提供病理基礎。VIA又能把單個受精卵（單個細胞）變成器官齊全的新個體，複雜、奇特的過程展示出來，團隊利用新運算方式，將小鼠胚胎不同器官形成的先後過程展示出來，當中需要精準處理達130萬的小鼠胚胎單細胞的基因表現數據。

「利用VIA，可以在各種生物過程中，發現難以捉摸的細胞譜系及稀有細胞變異的情況，這些都是其他方法難以做得到，VIA同時亦為疾病的演變帶來重要啓示。」Shobana Stassen補充說。

團隊又利用VIA來分析細胞的圖像數據，細胞圖像能顯示細胞的物理特質，除了組學資料外，還包含各種細胞的外觀差異，以及隨時間流逝細胞外觀（形態）變化的豐富信息。循細胞的外觀特徵了解並推斷細胞的發展軌跡，過往少為人探討，而VIA提供了有效的手段。

團隊使用謝教授的研究實驗室新開發的光學顯微鏡系統，系統具備高速和精準成像的優點，能以比現時任何典型顯微鏡快至少100倍的速度，生成大量高解像度的單細胞圖像數據。團隊利用VIA成功揭示了細胞週期進程中細胞質量的細微變化及質量含量的分佈。細胞週期演化是維持生命的基本細胞代謝過程，如果過程出錯，可能會導致癌症等病變。這新穎的光學顯微鏡早前已在《自然-實驗室指南》（Nature Protocols）發表，謝教授的實驗室已成立初創公司作相關技術轉移。

謝教授亦是香港研究資助局2020年「研資局研究學者計劃」的得獎者，他表示：「基於已完成的前期基礎工作，我們現時與香港和海外的研究人員合作將VIA應用於不同的生物醫學和生物技術，其中包括跟蹤抗癌治療的效果，以及加速製藥行業的藥物研發過程等。我們把VIA設定為開放使用的工具，與全球科學家分享，目前在美國和國内已有科研團隊，把VIA相關工具應用於新冠病毒研究，包括推斷感染後免疫系統的反應、預測重症的發生，疫苗產生的抗體量和反應，以及對療程的反應等，而免卻例如重複抽血檢查等的一些常規程序。」

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刊登於Nature Communications 論文 “Generalized and scalable trajectory inference in single-cell omics data with VIA” 連結 :
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25773-3    

謝堅文教授的研究實驗室開發的光學顯微鏡系統，刊登於Nature Protocol的論文連結:
https://www.nature.com/articles/s41596-021-00576-4 (Aug 2021)

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