基因和生命科学仪器

李昌厚(中国科学院上海营养与健康研究所 上海 200233)　　0、 前言　　本文从人类生活、生存、发展和环境保护等角度、从人类生存的三要素(水、空气、食品)等多个方面，讨论了生命科学及生命科学仪器大发展的必然性；从全球科技工作者对生命科学仪器的关注度等方面，介绍了生命科学仪器及其应用的发展现状；讨论了生命科学仪器的进展和发展前景。可供有关的科技工作者参考。　　一、生命科学仪器发展的必然性　　目前，地球上的人类和生物面临着越来越严重的环境和生态威胁，认真研究人类生活、生存、发展和生态平衡、环境保护等问题，是当代和今后长时期全球性的、迫切需要解决的问题，这是生命科学仪器发展的背景、主要原因或者叫生命科学仪器发展的必然性。　　地球上的人类和生物受到了哪些威胁？请看：　　1、水　　地球上的水污染很严重，据世界卫生组织报道：维持一个人的生命，每天至少要5升水，加上卫生用水和其它用水，发达国家人均需水量高达300-650升/天。而世界上地面和地下水的污染已到了严重地步：据2001年英国慈善机构“水援助”和“泪水基金”联合发表报告说，饮用水卫生问题已成为“目前世界上最为紧迫的生存危机之一”。报告说，不干净饮水，导致世界上每天有6000名儿童死亡。眼下世界上住院治疗的病人中，有一半是饮水不卫生而引发的疾病。2001年，联合国在全球用水情况报告中说，全球每天有5000多名儿童死于卫生条件恶化引发的疾病。与英国慈善机构“水援助”和“泪水基金”联合发表的报告一致。　　联合国曾经报道：目前全球有11亿人缺乏安全用水。每年有500多万人死于同水有关的疾病。预计到2025年全球三分之二的人将生活在不同程度缺水的地区。据报道：世界上最大的内海——地中海，正在变成肮脏的海洋，每年倒入地中海的废水至少达到60亿立方米、固态垃圾达到2亿吨以上。沿海岸有数十家炼油厂和上百家燃油热电厂及其它各类工厂等污染源，估计这些工厂每年要向地中海倒入90万吨工业粘着物，160万吨可氧化的物质，使地中海每年要混入100吨水银、3800吨铅、12000吨酚类物质和3600吨磷盐。据世界卫生组织报道：发展中国家，目前每天有3万多人死于饮用水不洁引起的各类疾病。　　我国的水环境问题也比较严重，目前我国非常重视水环境的保护，仪器信息网在2021年1月22日通过《十大关键词窥探2020环境监测行业风云变幻》的文章[1]，对我国2020年环境监测领域的有关问题进行了回顾，从中可以看出我国有关部门对环境保护方面的高度重视程度。　　2、空气　　据美国Analyst报道：世界上城市空气污染特严重，城市居民每天平均要吸入20m3以上　　的污染空气。这些空气中至少有1012个有毒有害微粒：其中小于10μm的微粒大部分将沉积在人的肺泡中，它将引起人们生肺癌及引起其它有关疾病。英国剑桥马萨诸塞技术研究所的研究表明：烟灰是悬浮在空气中的有毒有害固体微粒的主要组成部分。据报道，在英国这种有害固体微粒每年至少导致1万人死亡。　　据文献报道，世界上汽油烷基防爆剂所用的铅每年达到38万吨以上，其中70%直接排入大气中，而人吸入的量至少有35%以上沉积在体内，也就是说地球上的人每年因汽油烷基防爆剂这一项，总共吸入的铅就有10吨左右沉积在人体内，最终引发铅中毒性质的各类疾病，更严重的是障碍儿童的身体发育，引起智力发育不良，形成痴呆症等等。　　由于受空气、自然、历史等因素影响 ，全国受到结核菌感染的人约有4.2亿，现有肺结核病人约500万人。我国是全球22个结核病高负担国家之一，目前我国对空气污染问题已经引起高度重视。虽说北京、河北等地的空气质量(特别是PM2.5等)还有些不尽人意，但是很多大城市的空气质量已经大大改善，例如上海、浙江、广州等地域的城市和农村的空气质量已经产生了质的飞跃，空气质量优秀的天数可以达到80%以上。由于国家的重视和全民的共同努力，相信我国的空气质量会大幅度提高。　　3.其他　　此外，由于现代工业、农业造成的其它污染，也正在日益加重，如有机汞、有机磷 、多氯联苯、农药残留物、放射性污染的水、各种无机元素(如汞、镉、铅、砷、铬等等)造成的污染已相当严重。汞中毒主要危害人的中枢神经系统，引起人的死亡率可高达到40%。镉对人的肾影响大，被定为1A级致癌物质。铅是一种对神经系统有害的重金属元素，儿童体内铅含量超过每升100微克时,脑发育就会受到不良影响，儿童血铅每增加10微克/分升,智商平均下降1至3分。国际上公认,把血铅超过每升100微克称为铅中毒。　　多年前,国际消除儿童铅中毒联盟的专家，调查访问了中国后说:中国如不进行儿童铅中毒的防治，20年后,中国人平均智力将比美国人低5%。即20年后,一亿多告别“儿童”的中国人中,约有300万到500万人因智力下降成为社会负担，约有1000万到1300万人从平常人变为“庸人”，约有200万的高智商人才变为平常人。铅中毒的五大原因：1)大气污染 2)室内装饰 3)吸烟(烟中有铅，对儿童伤害很大，吸烟家庭孩子比不吸烟家庭孩子大10倍) 4)儿童玩具 5)食品(爆米花、皮蛋、罐头、蔬菜、水果、饮水等等)。　　我国是一个农业大国，与农业有关的问题相当严重，例如：转基因食品(小西红柿、色拉油、进口大豆、进口水果等等)，有些人还没有认识到它的危害，作者认为，转基因食品对人类的威胁很大，归纳起来看，它有五大隐患：　　a、可能对其他生物产生不可估量的负面影响：具有抗虫、抗病转基因的植物也可通过花粉等途径对其他许多有益植物产生直接或间接影响，从而改变这些植物的良好基因。　　b、增强害虫的抗性：目前已知第三代、第四代害虫已对转基因抗虫作物产生抗性，以致要用更多的农药，这对全球的环境的危害更加大。　　C、转基因植物通过授粉可能将抗虫、抗病、抗除草剂等“本领”传给野生杂草，从而杂草争夺肥料，严重影响农作物的生长，甚至严重影响农作物的生存。　　d、由于动、植物，微生物，甚至人类的基因可以相互转移，形成人为的优势特征，这违背了“优胜劣汰”的自然规律，严重影响物种间的竞争，破坏生态平衡。　　e、转基因生物产品作为食品进入市场，可对人体产生某些毒理作用和过敏反应 如：转基因生长激素毒素基因，可能影响人的生长发育 转基因的抗生素基因可能使人体对很多抗生素产生抗性，一旦生病，所有抗生素都不管用。转基因生物产品只几十年历史，对人危害的潜伏期很长。所以，凡是持怀疑态度的国家，都不签入境许可证，尤其欧盟更是如此。我国从2020年开始，也禁止有些转基因食品入境、限制种植和食用有些转基因农产品。还有绿色壁垒：日本曾经对200种农药制定了近9000个最高残留限量，其中，对蔬菜有3728个 大米制定了116种农药的最高残留限量。这些规定、标准，主要是针对我国的。因为，日本是我国的蔬菜和大米的主要出口国，占我国出口蔬菜总量的40%以上。　　据报道，由于现代工业和农业造成的污染，科学家估计，到本世纪中叶，世界海平面将增高1m，每年消退的生物达100万种，每天有三个物种灭绝。100年后，生物将消失一半。所有这一切，都已经或正在引起全球性的警觉。全球人类目前面临的威胁越来越大。因此，从七十年代末期、八十年代初期以来，特别是近十几年，世界上科技和社会发展的潮流明显由“物”转向“人”。即从重视社会的物质生产，开始转向同时切实关注全球人类的生活、生存和发展的重大问题。　　综上所述，生命科学和生命科学仪器的大发展是必然的。　　二、生命科学仪器发展和应用的现状　　目前，国际上各类新型生命科学仪器正不断涌现。例如，用于分子生物学领域的各类仪器、用于细胞生物学领域的各类仪器、用于微生物检测的各类仪器和用于生物工程领域的仪器，以及生物医学及临床分析检测仪器、家庭或个人使用的专用仪器，特别是超小型、价格较低的生化仪器，各类验尿仪、血液分析仪、水质分析仪、有毒有害气体检测仪等等发展飞速。据报道，这些超小型仪器中，有的可以放进茶杯，有的可以放进口袋。　　目前，由于生活水平的提高，现代人群中，糖尿病已成为非常普遍的病。曾经初步统计，我国的北京、上海、广州三大城市中，上海的糖尿病发病率为第一，北京第二，广州第三。因此，目前萄葡糖检测仪发展很快，国外有的萄葡糖检测仪只有手掌大小，只需一滴尿液或一点血，就可以对人体的萄葡糖指标进行检测，为糖尿病患者提供了很大的方便。例如：美国理康公司曾经推出的SurestepPlus稳步倍加型血糖监测仪，只有香烟盒大小，只需一滴血，30秒钟就可得到结果。又如德国IBM公司推出的Teflolux血糖检测仪，只需一滴鲜血，两分钟即可得到血糖测试结果，可随身携带，用来监控和治疗糖尿病非常方便。又如，家用食品检验仪，其探头(传感器)做成筷子式，只需插入食品就可检测其有毒有害成份，如准确、快速的检测食油中的黄曲霉素、猪肉中的3-4苯并芘等致癌物质，只需将探头插入被检测物质，就很快能得到结果，非常方便。　　由于计算机技术发展对科技的贡献，直接促进了生命科学仪器的发展。因此，这几年生命科学仪器的发展速度和水平实在令人“赏心悦目”。许多生命科学仪器能完全自动、准确、高速、高效地完成仪器的自检、故障的报警、控制分析测试的全过程、测试数据处理、协调与联用仪器的分工合作等等。许多生命科学仪器，操作人员只需要放试样、启动仪器开关就行了，其余一切都全由计算机自动完成。例如Beckman的700型和BM的4030型全自动生化仪，从采样、样品的稀释、测量操作到数据处理和打印结果，全由计算机自动完成。又如美国推出的Manarch 2000全自动生化仪，具有多功能，可作吸光度、FL强度、电解质、特殊蛋白质和酶免疫、FL免疫等分析，可同时作23个项目，都由计算机自动完成。　　随着生命科学的发展，进一步促进了生命科学仪器的发展，往往由于生命科学研究中方法学上的发展或突破，使许多成熟的仪器扩大了新的应用范围，成为生命科学领域的崭新仪。例如：原子吸收分光光度计[4](AAS)，目前已经发展为一种常规的生命科学仪器，全球已经普遍、广泛使用它来检测有毒有害的重金属致癌物质(如：Hg、Pb、Cd、Cr等等)。目前生命科学领域非常重视AAS的应用，国外的PerkinElmer、Agilent等公司和我国的北京普析通用、北分瑞利等公司的AAS都有很高的水平。同时，由于生命科学研究的发展，还随之出现了有关的新型的生命科学仪器，例如：北京普析通用、北京博晖创新的五元素同时检测的仪器的出现等就是如此。　　目前，AAS已经被认定为生命科学研究领域的“座上宾”，如国内某研究所用它来对人发中的锌、钙、镁、铂、钴等稀有元素的测定，用它来研究癌症有关指标的检测，得到了满意的结果。某部队的一位师长曾经对作者讲：现在，部队检查身体也用AAS，战士只要拔一根头发，放在信封里，写上名字寄给医院，医生用AAS检测Fe、Ca、Zn就可知该战士的健康情况。今天，生命科学仪器的发展，又推动了生命科学的发展，如AAS对医学的贡献、特别是对癌症的研究起到了很好的推动作用。作者预计：随着生命科学的发展，AAS还将有大发展，它在生命科学领域的应用，将以几何级数递增。又如：同位素质谱仪，过去主要是作地球化学中同位素分析用，然而，近几年开始在医学界也正在使用同位素质谱仪测定人体呼气中的碳同位数比值 (C13/C12)，以此诊断患者的胃和肝脏等疾病，其准确度达到96%以上。从这个角度来说，生命科学仪器的发展还反过来促进了生命科学的发展。　　三、生命科学仪器及其应用的最新进展　　众所周知，当今的生命科学已从过去的描述性、实验性的科学向定量科学过渡。要定量就要有分析，要分析就要有仪器。所以，生命科学发展离不开生命科学仪器。美国的Hood教授指出：近30年来，生物医学迅速发展的两个主要原因之一，就是生物技术和科学仪器技术的相互配合，紧密结合。据仪器信息网2021年01月26日报道：近年来，单细胞基因组学是十分热门的研究方向，“三高”单细胞基因测序上游市场达5.19亿美元[2]。目前，生命科学仪器及其应用发展的最新进展归纳如下：　　1、向“三超”的发展速度令人赏心悦目　　所谓“三超”，就是生命科学仪器向超高速、超微量和超小型方向发展。　　(1)超高速：　　据Qusesada和Mahies报道：脱氧核糖核酸(DNA)序列分析最引人注目，利用毛细管电泳FL衍生技术进行DNA测序，比商品DNA测序分析仪快25倍(商品DNA序序分析仪比手工操作快2000倍)，所以利用毛细管电泳FL衍生技术组成的DNA测序仪比手工快5万倍。　　二十年多前，世界上最快的DNA合成仪，2分钟可合成一个碱基，2小时的工作效率，相当于过去25个专业人员手工操作4-5年的工作量。即该仪器1小时的工作量，相当于人的手工操作9万小时的工作量，也就是说提高效率九万倍。可以说，DNA合成仪是生命科学仪器向超高速发展的前奏。美国专家科学委员会曾经认为：人类基因组计划的限速因素，在于方法学和仪器跟不上。所以，在90年代中期，他们就要求DNA测序效率在当时的基础上提高5-10倍。并且继阿波罗登月计划之后的美国人类基因组计划，在对人类基因全部30亿个核苷酸的序列测定中，美国政府拨款30亿美元，要求用15年时间完成全部DNA测序工作。此前，一位熟练的专业技术人员，手工操作测序，每年仅可测5-10万个核苷酸，所以，40年前，还只测定了30亿个核苷酸中的600万个。后来，国际上的DNA测序仪出现，每天可测1.5万个核苷酸，当时的DNA测序仪比手工测试效率高2000倍。但全部30亿个核苷酸的序列测定，也远不是15年时间能完成的(需300年或400年才可把30亿个核苷酸的顺序测定出来)。在美国政府30亿美元的拨款后，HP公司随后推出的DNA测序仪，其速度可达60万个核苷酸/小时，使美国人类基因组计划对全部30亿个核苷酸的序列测定大大提前完成了。纵上所述,可以说DNA测序仪也是生命科学仪器向超高速发展的典型之一。　　还有,美国Beckman的CX7型全自动生化仪,每小时可分析960个样品, 这也是生命科学仪器向超高速方向发展的一个例子。这里特别值得介绍的是瑞典Phamacia推出的时间分辨荧光免疫测试仪(DEFIA)每秒钟可分析一个样品，每小时可分析3600个样品，而且其灵敏度 可达10-17mol(Eu)，这又是一个生命科学仪器向超高速方向发展的典型例子。　　(2)超微量：　　荧光分光光度计(FLS)本身就是高灵敏度的生命科学仪器，从原理上讲，FLS就比UVS的灵敏度高2-3个数量级。美国的Bear曾经用荧光检测器，在HPLC上能检测10-15mol的亮氨酸(Leu)，当时人们感到了不起。不久，李昌厚研究组发明了UV/FL多功能微量光度计，其荧光(FL)检测部分能检测到10-14mol的Leu,该仪器只需8微升试样，在几分钟内就可得到满意的分析检测结果。然而，今天国际上已出现了激光荧光检测器(Laser Fluorensces Detector简称LFD)，其灵敏度可达到10-21mol(Eu)，这是一个了不起的重大突破,是生命科学仪器向超高灵敏度、超微量发展的一个重大突破的典型例子。又如，高压毛细管电泳仪(HPCE)它是八十年代末期、九十年代初期发展起来的、目前被国际上的分析化学家所关注目的生命科学仪器之一，HPCE在复杂的、大分子的分离、分析工作中特别有用,尤其是在药品质控、临床试验、中药研究中，HPCE作用很大。在临床试验中除蛋白和药物鉴别外，还可作基因诊断、免疫分析、各种体液分析、单细胞分析和常规的临床检验等等。HPCE特别适合于试样很少的生命科学研究工作，它具有高灵敏度(可ng级进样)、高分辨率(塔板数可达到 8000万/m)，HPLC解决不了的问题，HPCE可以解决。它具有高速度(最快只需几十秒钟就可分离完一个样品的分析)等特点，一般情况下HPCE也可在几分钟或十几分钟内完成一个样品分析，并且所需缓冲液少，一般几个ml即可，有时几十ml，即可作一个方法研究。目前分子生物学研究的一大难点，就是微量成份的分离和提纯，而HPCE是目前世界上分离效力最高的仪器之一，因而，它很受生命科学界重视，被认为是生命科学仪器的主干产品之一。　　(3)超小型：　　既要超高速、超微量，又要超小型，这在同一台仪器上是很困难的。而当代科研和家用分析仪器，却往往希望“三超”在同一台仪器上实现，既要仪器稳定可靠，又要求超小型、占地方小、便于携带。所以，近几年国外陆续出现了许多如前所述的能放进茶杯里的水质分析仪、可放进的口袋里葡萄糖检测仪等等超小型生命科学仪器。大家知道，紫外可见分光光度计是生命科学研究中必不可少的分析工具，它被认定为生命科学仪器的主干产品之一。李昌厚研究组研制了一种超小型、多功能微量UVS，它可作为HPLCD、MUVS、FIAD，核酸蛋白分析仪等四种仪器使用，所需试样只有8微升就可得到满意的结果，其体积只有目前国内外常用UVS的1/5-1/6，鉴定会上受到了许多专家的好评。　　2、新型的生命科学仪器不断涌现：　　目前，国际上新型的生命科学仪器不断涌现，例如：　　(1)蛋白质领域的新型蛋白质C端分析仪的问世。蛋白质C端分析仪是目前世界上最新的仪器之一，目前正在发展中。它主要用于重组蛋白质的分析。随着生物工程的发展，对重组蛋白质的分析日益重要。一个蛋白，有N端和C端，蛋白质N端分析，目前似乎已成了常规分析，但C端分析，刚显出具大的生命力。蛋白质C端分析仪，在基因工程目标产品的质量控制方面很有用处，当蛋白质的C端突变时，需要用蛋白质C端分析仪来鉴定，所以，蛋白质C端分析仪具有重要意义。　　(2)新型的基因扩增仪(PCR)问世。PCR是目前发展很快的一种生命科学仪器，目前已从定性向定量发展，如美国ABI曾经推出的7900 、7000 PCR，其中7900有384孔和96孔两种，用氩离子激光器作光源，光栅分光、CCD检测。ABI还曾经推出了最新的2700PCR，它具有96孔、可编程、可储存100个完整的PCR方法，为PCR核酸扩增技术设计的价格低廉的自动化仪器之一。　　PCR仪器在2020年全球爆发的新冠病毒检测中发挥了非常重要作用，全球各国对新冠病毒的核酸检测，主要就是应用PCR仪器进行样本的基因扩增，而后找出现有病毒中的有关对象进行比较，从而确定被检测者是否感染了新冠病毒(已经感染者为阳性，未感染者为阴性)。因此PCR仪器目前已经引起了全世界科技工作者的重视。　　目前，特别值得注重的是：全基因组和全转录组扩增是单细胞测序的难点，近几年也取得了较大突破。全基因组扩增技术主要有：简并寡核苷酸引物PCR扩增(DOP-PCR)，多重置换扩增(MDA)，和基于多次退火成环的扩增循环(MALBAC)几种技术。　　(3)毛细管阵列电泳激光诱导FL检测仪的问世。它也是一种新型的DNA侧序仪，已能达到10-15mol/ml的检测灵敏度,已在生物体中的超痕量生物活性物质和环境中有机污染物检测方面得到了广泛的应用。　　(4)新型的微波等离子体光源紫外检测仪的问世。中科院上海生化所研制的核酸蛋白分析仪是目前最理想的核酸蛋白分析仪之一，主要是采用了自己发明的、特有的微波等离子体光源，它大大优于Hg灯、Xe灯、DL灯等元素灯作光源的同类仪器，具有生命科学研究中必用的280nm(蛋白)、260nm(DNA)、230nm(氨基酸)、218nm(糖)、206nm(多糖)等五条特征线，并且背景干扰非常小，灵敏度极高。过去，核酸用254nm检测，蛋白质用280nm检测，而Hg没有260nm、280nm特征线，所以采用氙灯、氘灯分光来检测，但是，分光后能量又太低，噪声也很大，灵敏度都很低，而微波等离子体光源的核酸蛋白分析仪优于国际上最先进同类产品。　　(5)基因矩阵扫描仪的问世 基因矩阵扫描仪( Gene-Arry Chip Scan Instrument或者叫DNA Arry Chip Scan Instrument 又叫 Bio Chip Scan Instrument)。它是目前世界上最高级的DNA测序仪，是HP公司专为美国Affymetrix公司的高密度基因芯片研制、产生配套的专用基因分析系统。　　基因芯片目前仍是世界上最新、最前沿的学科之一。中科院原子核研究所的李民乾教授认为 二十世纪两大技术，一是微电子芯片，一是基因芯片,他认为基因芯片具有划时代性。作者曾经参加过三次香山科学会议，其中第80次香山科学会议的主题是：“DNA芯片的现状与未来”。当时出席会议的专家40位(列席人员除外)，与会者中有学物理的、学化学的、学生物的、学医的、学无线电的、学计算机的，但以学生物者为主。会上邀请了3位留美学者参会：一位是AFFYMETRIX的范建兵博士，一位是MIT的王国玮博士，一位是NANOGEN的程京博士。他们三人在DNA芯片研究、应用方面都走在世界的前列，分别在美国各自所在的公司担任一定的技术领导工作，三人都在会上报告了DNA芯片的最新信息。当时，美国的DNA芯片发展很快，故有人向国家建议开展此项研究，并物色了上面提到的三位留美学者回国参加香山科学会议作报告。　　通过第80次香山科学会议的讨论，大家认为DNA芯片很重要，建议我国开展研究。至今我国还在积极开展此项研究工作，并已取得一定成果。美国AFFYMETRIX早已能在1.2×1.2 cm的石英片上集成64万个DNA探针，它属于高密度DNA芯片。NANOGEN主要作低密度DNA芯片，每片有几十到几百个探针。目前，高密度DNA芯片主要用来作DNA测序，大多在科研上用，而低密度DNA芯片主要作诊断用。中国医学科学院的杨霍民教授认为基因诊断是21世纪最重要的诊断之一，DNA芯片的应用前途非常远大。　　所谓芯片，是借用大规模集成电路芯片的名称，它实际上不是芯片，不能用来作计算机。但它的工艺与大规模集成电路芯片有点相似，也有光刻技术等等,所以叫芯片。DNA芯片实际上就是一个生物传感器，它配上测试仪器或做在仪器上，其功能就可充分发挥。DNA芯片的研究，主要是芯片合成和仪器化(即测试系统研制)。DNA芯片合成后，将它与有关仪器组成基因分析系统，就可以用来测序。如果做成仪器，就可用于诊断、药物篩选或基因篩选。其工作基本原理是：将合成的已知的DNA芯片，与已知的核苷酸放在已知位置进行FL标记，再用它探测一个未知的DNA的FL信号。如NANOGEN的血液6参数测试仪，只有移动电话大小，只需在芯片上滴一滴血，放进仪器，就很快可得到结果。　　前面讲到的HP的基因矩阵扫描仪，与AFFYMETRIX的基因芯片结合，可组成最佳的、最新的基因分析系统，这个系统曾经在美国亚特兰大匹兹堡会上获奖。据报道：HP的基因矩阵扫描仪，是AFFYMETRIX的基因分析系统最佳、最新的配置。这项技术，取代了费时、费力、费钱的经典凝胶基因分析方法，具有同时测定多种基因和突变的独特功能。　　基因探针点阵包含成千上万个特异的DNA结合位点，它又被称为探针细胞，这个探针细胞中，又含有不同序列的寡核苷酸探针，这些序列的寡核苷酸探针，确定着样品DNA的特征序列。分析更多基因的需求已变得越来越重要，在HP的基因矩阵扫描仪开发出来

仪器信息网讯 四月的苏州春意盎然，景色宜人。4月19日，在苏州狮山国际会议中心，ACCSI2024第六届生命科学仪器发展论坛如期召开。会议吸引近200位相关从业人员参会，共话生命科学仪器产业上下游发展。本届论坛由仪器信息网和中国科学院高端光学显微成像技术联盟联合主办，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心、全国卫生产业企业管理协会精准医疗分会、清华大学蛋白质研究技术中心蛋白质制备与鉴定平台为论坛的支持单位。论坛现场第六届生命科学仪器发展论坛内容十分丰富，16位来自生命科学仪器产业上下游的报告嘉宾分享了他们对于行业发展的看法和自研生命科学仪器技术及成果转化进展。上午包括产业综述和蛋白分析新技术，下午则聚焦生物显微成像和细胞分析创新技术成果展示。此外，4月18日晚3i优秀新品奖新鲜出炉，论坛上，奖获的生命科学仪器企业华大智造和美谷分子公司代表对相关产品进行详细介绍。上午论坛由全国卫生产业企业管理协会精准医疗分会副会长袁旭军主持。主持人 袁旭军 全国卫生产业企业管理协会精准医疗分会副会长Part 1 产业见解宋明轩 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所副研究员 /苏州国科医工科技发展（集团）有限公司总裁报告主题：《生命科学仪器成果转化痛点与商业化成功要素》宋明轩谈到，2024年十大政府工作任务中，把“大力推进现化产业体系建设，加快发展新质生产力”放在了第一位。科学仪器主要应用在企业和高校的研发、生产环节，是实现科技创新、技术进步的重要工具，在实现新质生产力的过程中起到关键作用。作为科学仪器的一类重要分支，生命科学仪器随着新质生产力的蓬勃发展，也迎来了无限的崭新机遇。在大规模设备更新等政策加持下，科学仪器行业的增长率会高于社会平均水平。当前中国的科学仪器企业现状是生存容易，壮大难，呈现“小、杂、散”的特点，处于发展之初自由发展、自由竞争甚至无序竞争、低端技术、低端重复建设的过程，可参考已经走过这个阶段的成熟行业去发展。他最后谈到了未来生命科学仪器发展方向：“人工智能+”、“以机器为载体，以数据为要素，做有组织的科研”、“推动研发中医康复器具；打造智慧健康养老新业态”、“穿戴设备、服务机器人等智能设备”、“抗衰老产业”。方诩 山东大学教授 /山东恒鲁生物科技有限公司董事长报告主题：《合成生物学产业发展及仪器设备需求分析》进入21世纪，人类面临的挑战主要有三大部分：能源、环境、健康，合成生物学在应对相关挑战中能够发挥重要作用。从双螺旋结构发现打破PCR反应发明再到2010年“设计生命”，合成生物学经过了半个世纪的发展。近几年，大数据带来生物技术革命，进入了“BT+IT”的时代，人工智能和生物技术的融合，不仅加速了研发进度，减少了研发成本，而且提升了研发的成果质量。合成生物学也随之到了科学和技术大集成的时代。21世纪合成生物学特点为工程学，模块化，标准化。在此背景下，方诩老师成立恒鲁生物，实现生物“智”造，开发生物AI计算平台、自动化实验室（筹）和AI模型数据库，可以帮助用户进行蛋白质设计、酶的虚拟定向进化、代谢网络智能分析等过程。牛童 国药控股（中国）融资租赁有限公司 高级厂商合作经理报告主题：《融资租赁/经营性租赁——生物医药企业提高资本配置效率的新思路》多年来，生物医药行业的发展受到国家政策的鼓励支持，从十二五规划开始，国家提出的一系列战略性新兴产业中，生物医药产业始终列为重要的新兴产业之一。但近年来，受宏观经济周期，资本市场政策改革，国际地缘政治因素等多方面影响，国内生物医药企业普遍面临一定挑战。在经历过一轮“资本过热”的阶段后，生物医药行业一二级资本市场均表现出明显的放缓和收缩，进入阶段性“资本寒冬”。因次在市场遇冷的大背景下，生物医药企业如何合理利用和分配有限的资源，将研发生产效能最大化，成为了行业亟需讨论的命题。为更高效的赋能产业发展，国药控股（中国）融资租赁有限公司创新的推出多种融资租赁及经营性租赁产品，旨在帮助生物医药企业进一步提高资本配置效率和产业化能力，进而更好的聚焦价值创造，驱动企业高质量可持续发展。杨鹏 苏州中科医疗器械产业发展有限公司 副总经理报告题目：《超快速、多脑区双光子显微镜及产业化思考》光学是显微镜生命科学领域的常用仪器，随着我们技术的发展，逐渐向超快速、超分辨以及智能化的方向的发展。双光子显微镜主要用在纳米到毫米级别的物体的检测，因其光毒性低，穿透力强，有优异的层析效果，非常适合脑脑科学与神经科学研究应用。中科院苏州医工所已研制并交付了双光子显微镜。杨鹏讲到，科研机构科研成果向市场产品转化的过程，中会遇到各种工程技术问题，如效率低、周期长，并且投入大、风险高，技术转移难度大，从而陷入“死亡之谷”，难以做到准入过程的守序合规。他也根据自身技术成果推广经验提出了产业化思路：（1）核心竞争优势、（2）打造差异竞争、（3）持续技术创新。Part 2 新仪器、新技术展示李文奇 清华大学 生物样品制备与鉴定平台主管报告题目：《分析超速离心仪器软件和检测器的开发》超速离心是为人们所熟悉的一种技术，而分析超速离心技术（AUC），是在超速离心技术基础上增加了紫外/可见光/荧光等检测器，能够实现在超速离心力的作用下检测分子的运动轨迹，从而获得分子的沉降系数，分子量、密度、大小、形状、表面属性，并且检测精度也相对较高。基于新的数学模型的提出，AUC技术迎来第二个春天。AUC主要用于结构蛋白、纳米递送系统/纳米材料、重组蛋白类/载体的多项分析检测，如测定从pM到mM蛋白质自聚集的亲和力，还可以定性、定量检测蛋白质的相互作用，在生物药领域尤其有非常好的应用前景，NMPA已将AUC检测加入溶瘤病毒、多肽、ADC等药物的药学研究与评价技术指导原则中。目前李文奇团队正在开发国产AUC软件，去填补国内这项软件技术的空白，同时他还在做AI识别选择数据，避免手工选择带来的误差。除了软件，检测器开发也在同步进行中。陈雍硕 极瞳生命科技（苏州）有限公司 市场总监报告题目：《极瞳S-CLASS，新一代高通量非标记分子互作分析系统》分子互作分析系统是用于直接检测生物分子之间相互作用的高精密科学仪器，用于生物分子间结合特异性的分析、浓度定量、结合动力学和亲和力分析，被广泛应用于生命科学研究和药物研发领域。该类设备的高端产品全部由国外产品垄断，造成设备、耗材以及服务成本高企。极瞳生命自主研发的S-CLASS高通量分子互作分析系统，凭借创新的技术，使广大用户真正享有“高通量、高灵敏度、高性价比”的产品。彭欢欢 深圳华大智造科技股份有限公司 副总裁、中国区总经理报告主题：《华大智造测序仪自主创新突破之路》基因测序技术从一代测序以毛细管电泳为主，到如今技术提升发展为大规模平行测序，让基因组测序成本得以大幅下降，基因检测技术为多科研实验室使用。现在基本进入人人基因检测时代，包括进行肿瘤的防控传感染病的防控等，这是新质生产力的一个体现。对于华大智造而言，自从2013年收购测序公司Complete Genomics并具备研发生产自主可控能力后，在新产品研发方面可谓一年一个台阶，到目前形成了E系列、G系列、T系列等多个系列的产品。能够实现国产测序仪的自主创新突破，源于华大智造始终坚持全方位源头性专利布局，累计研发投入数十亿，构筑技术及专利壁垒，境内外有效专利736项；此外，华大智造还参与起草并发布实施的标准达59项。刚刚获得3i优秀新品奖的DNBSEQ-T20×2开启了一百美元内基因组时代；而在本月刚刚发布的MGISEQ-2000则是打造多组学研究利器。诸葛丽琼 美谷分子仪器（上海）有限公司 高级市场沟通经理报告题目：《AI 驱动的全自动类器官/3D细胞模型培养新范式》越来越多的研究希望将细胞培养从2D转变为3D。而类器官凭借高度接近人体真实情况并对药物反应具有更高预测性，已成为生命科学研究及医药研发的优良模型。然而，培养方法复杂、缺乏标准化、可重复性低和大规模生产困难等问题，严重限制了类器官的广泛应用。CellXpress.ai 全自动一体化类器官工作站，创新性的通过整合液体工作站、显微镜和培养箱，实现类器官培养流程的自动化和标准化；通过内置的实验方案简化培养过程；利用人工智能自动决策，提高三维模型培养的一致性和稳定性，为进一步加强类器官的研究和应用提供了强大助力。上午嘉宾合影后记：在本届生命科学仪器发展论坛上，有超过半数的报告嘉宾在分享技术和产业发展中提及AI技术。仅上午的日程中，嘉宾们无论是在谈及光学显微镜未来发展趋势，还是介绍分析超速离心技术和类器官工作站等技术和仪器，抑或讲到合成生物学领域发展时，都或多或少提到了人工智能技术的应用。如此看来，在生命科学仪器产业上下游，AI技术的融合不再是未来趋势，而是已成为现实。4月19日下午，论坛内容主要为高端光学显微镜和创新细胞分析技术和仪器成果，详见下篇分享。下午会场（生物显微成像&细胞分析）8位报告嘉宾　　关于ACCSI：　　“中国科学仪器发展年会(Annual Conference of China Scientific Instruments，ACCSI)”始于2006年，已成功举办十七届。每年一届的“中国科学仪器发展年会”旨在促进中国科学仪器行业“政、产、学、研、用、资”等各方的有效交流，力求对中国科学仪器的最新进展进行较为全面的总结，力争把最新的有关政策、最前沿的行业市场信息、最新的技术发展趋势在最短的时间内呈现给各位参会代表。　　更多第十七届中国科学仪器发展年会精彩内容，请点击链接：ACCSI2024现场直击

2022年注定是不平凡的一年，世界局势动荡变革，黑天鹅（新冠病毒变异）、灰犀牛（全球产业链调整）和美国总统拜登签署并启动《国家生物技术和生物制造计划》的行政命令等事件不期而至，今天的中国比任何一个时代都更要呼唤生命科学硬科技的突破。在这样的大背景下，生物医药作为技术创新最为集中的领域之一，要想在研发和生产环节不被“卡脖子”，不受制于人，在关键的产业链上尤其是用于生物医药研发和生产的仪器设备以及原材料和试剂耗材等领域就要取得突破。自中美贸易冲突以来，美国一方面将中国部分大学科研机构和生物医药企业列入实体清单，另一方面以立法形式限制关键核心技术对华出口。受此影响，我国科学仪器领域尤其生命科学仪器领域形势不容乐观。截至目前，美国出台的针对中国的《商业管制清单》（CCL）全部条款4510条，其中涉及科学仪器管制的占比超过42%，约为2000条。一、全球生命科学仪器市场现状生命科学仪器是生命科学产业供应链中的基石，包括用于生命科学研究和生物医药开发生产化过程中涉及到的所有分子生物学、蛋白工程学、细胞组学和成体组学仪器设备，应用于实验室、医疗诊断和药物生产等药物开发全过程场景，涉及到多个学科交叉应用，一切研究生产都要依赖工具进行。遗憾的是，贯穿生命科学研究和生物医药整条产业链的生命科学仪器产品矩阵，几乎都被国际巨头生命科学仪器公司（例如丹纳赫、赛默飞、安捷伦、赛多利斯等）垄断，国外品牌尤其美国品牌在全球生命科学仪器行业中长期处于领先地位，中国国产品牌还处于起步阶段。根据最新统计，由于中国生命科学研究和生物医药产业的蓬勃发展，中国拥有全球第三的高端生命科学分析仪器设备市场 ，但是根据国家海关总署历年统计数据显示，我国大型科研仪器的进口率超过80%，其中色谱仪、质谱仪等高端分析仪器进口率超过90%。数据来源：SDI、中商产业研究院二、生命科学仪器“国产替代”市场现状和未来发展建议相较于美国欧洲等发达国家，我国生命科学仪器行业起步较晚，在技术积累、产品质量和市场占有率等方面存在较大的差距，特别是在高端的精密生命科学仪器领域还有很多空白。生命科学仪器设备的“进口替代”已经刻不容缓，急需在关键技术突破和研发成果转化方面奋起直追。1、 从模仿创新向原始创新应用创新转变模仿创新的一个显著特点是跟随性。这种跟随一是体现在技术性，二是体现在市场性。目前进行国产替代研发生产的生命科学仪器公司基本都是出于模仿创新的阶段。一个非常好的现象是，在基因测序仪，数字PCR仪，色谱质谱分析仪等高端科学仪器领域现在国产都有替代产品出现，但是在技术方面，模仿创新不做新技术的开拓创新者和率先使用者，在开辟新市场和激发新需求这一块还存在明显的短板。要与国际生命科学仪器巨头同台竞争，下一步从事国产替代的生命仪器公司在研发资源投入方面需要从模仿创新（” 看中学”，Learning-by-watching）向原始创新（” 干中学”，Learning-by-doing）积极转变，要在创新链的前期（即研究开发阶段）和后期（即市场开发阶段）投入更多的人力物力。2、 政策赋能加速“国产替代”进程综合仪器信息网近年来发布的国家对生命科学仪器和试剂耗材行业制定的产业政策，拟定并组织的中长期发展规划和年度规划来看，我国在生命科学重大仪器设备和关键试剂耗材产业领域科技创新和研发投入快速增长，国家先后出台一系列鼓励政策和措施，积极鼓励全社会在生命科学领域进行研究，中国生命科学研究投入的资金在迅猛增长，预计2022年投入资金将超过1200亿元。《“十四五”生物经济发展规划》对生物经济在“十四五”时期的发展提出明确目标，提出顺应“以治病为中心”转向“以健康为中心”的新趋势，发展面向人民生命健康的生物医药。重点围绕药品、疫苗、先进诊疗技术和装备、生物医用材料等方向，提升原始创新能力，增强生物医药高端产品及设备供应链保障水平。随着国家层面对生命科学仪器设备行业被“卡脖子“风险的日益重视，各省市也陆续推出扶持国产仪器公司的相关配套扶持政策，政策赋能将大大加速科学仪器国产替代的速度。数据来源：国家统计局、科技部3、培育更多生命科学仪器行业专精特新公司成长“专精特新”是指中小企业具备专业化、精细化、特色化、新颖化的特征，“专精特新”企业是未来产业链的重要支撑，是强链补链的主力军。生命科学仪器设备行业是一个典型的技术驱动的创新行业，市场不是很大，但对一个国家的生物经济产业供应链安全具有重大的战略意义。国内生命科学仪器设备行业整体起步较晚，企业规模小，产品种类繁多而复杂，本身又属于多学科交叉类型，行业技术壁垒非常高，需要从事国产替代的企业沉下心来，加强技术沉淀和市场沉淀，坚定的坚持“专精特新”的定位，突破国外专利壁垒，吸引资本关注度，增加行业IPO热度。立足国内市场，拓展企业能力边界，勇敢的进行国际化探索。作者简介章保平，上海萌薇生物医疗科技有限公司总裁，中共党员，上海市宝山区人大代表，2013年开始创新创业。上海萌薇生物医疗科技有限公司自成立以来，致力于研发智造中国人自己的高端生命科学仪器，已经获得多项发明专利和实用新型专利，公司产品为包括生物制药市场在内的广大生命科学领域客户所欢迎，逐渐成为中国高端生命科学仪器领域进口替代品牌的领军企业。