2016生命科学十大技术/仪器创新 赛默飞两项上榜
科学进步所依赖的因素，按先后顺序可能是这几个：新技术，新发现，新思想。 ——悉尼博伦纳 物理学离不开对撞机 天文学离不开望远镜 生物学离不开 PCR 仪。在人类科学进步的历程中，新技术的出现是新发明和新思想诞生的基石和前奏。 岁末年初，The Scientist 杂志照例评选出了2016年生命科学领域的十大技术/仪器创新成果。其中既有足以颠覆基础生命科学研究、新药研发和临床检验的新平台，也有在既有技术基础上更进一步的重要新产品。 值得一提的是，今年的10大创新成果榜单中，出现了更多与临床相关的发明。3D打印肾脏在培养皿中重现了人体器官的各项性质，精密设计的检测系统可以同时量化检测多个样品中多种类型的生物标记物：这些成果不仅可以助力实验室研究，也将改变我们的临床实践。这些进步让我们明白，技术创新所能造福的不仅仅是制造业、发明者和学术界，也包括全人类。第十名Thermo Fisher Scientific 公司GeneArt Platinum Cas9 核酸酶 Thermo Fisher Scientific 公司在 CRISPR 试剂方面的一项突破成果——GeneArt Platinum Cas9 核酸酶，入选了今年的十大创新成果。在大肠杆菌中纯化的重组酿脓链球菌(Streptococcus pyogenes)Cas9 蛋白，即 GeneArt Platinum Cas9 包含了一段核定位序列，使其可以进入靶细胞的细胞核中。 “我们一直坚信，稳定的性能、活性和纯度是十分重要的，”Thermo Fisher 的高级科学家、基因编辑工具和合成生物学研发经理 Jason Potter 说，“所以我们通过大量的检测，保证我们拥有十分稳健的纯化过程。”Thermo Fisher 下属 Potter 团队于2015年发表了一篇文章，显示 GeneArt Cas9 在多种细胞系中表现出高达85%的切割率(J Biotech, 208:44-53, 2015)。 斯坦福大学干细胞生物学家 Matthew Porteus 在他利用体外基因编辑治疗血液疾病的研究中，使用了 GeneArt Platinum Cas9。目前他还在小鼠细胞中进行实验，但已经与 Thermo Fisher 公司达成了合作关系，希望将成果推向临床试验。在使用 CRISPR/Cas9 系统进行高效特异的基因编辑时，“我们遇到的问题是，已有的商业化 Cas9 酶是有毒性的，”他说。“[GeneArt Platinum Cas9] 现在已经成为了一种金标准，让我们能够获得其他试剂无法实现的结果。” 25 µg 包装的 GeneArt Platinum Cas9 核酸酶售价150美元，顾客还可以联系 Thermo Fisher 的专家寻求实验设计帮助或讨论操作流程。Thermo Fisher 副总裁，生物合成业务总经理 Helge Bastian 说：“做基因编辑这一行的小技巧就是，手把手的告诉顾客用量和方法，告诉他们如何去获得更好的结果。” WILEY：该技术避免了基于载体的 Cas9 表达，至少在特定细胞系中大大加快了典型 CRISPR-Cas9 系统的工作流程。第九名Photometrics 公司Prime sCMOS 照相机 有了现代显微镜，研究者们还需要高性能的照相机来记录样品图像。“每一年，这些照相机都变得越来越好，”Photometrics 产品经理 Rachit Mohindra 说(Photometrics 是一家专注于显微镜照相机和其他生命科学研究用图像系统的公司)，“它们基本上可以说是完美的。”要提升它们的完美程度是一项艰巨的任务，但是他认为他和他的团队通过4.2兆像素 Prime sCMOS 照相机做到了。 这款产品在2016年初发布，其内置算法可降低散粒噪声(光学显微镜成像的固有波动)，这个过程不需要获取多个临时图像后综合处理，也不需要增加激光强度而破坏样品。Mohindra 说：“有了这个照相机，就可以保持低强度光照，让被观察细胞存活更久，获得更好的数据。”Prime照相机将信噪比提高了三到五倍，“这相当于把光强降低了10倍。” Prime sCMOS 照相机的内置算法还可以减少研究者需要采集数据的总量，缩短处理和分析时间。Mohindra 说：“不联网的情况下，每帧图片需要30秒的处理时间。”“如果你的照相机每秒可以摄取100帧，那么就需要花费5分钟来处理这1秒钟的数据。”但是如果使用 Prime 照相机，可以立即完成处理过程。 “Photometrics 公司 Prime sCMOS 照相机的实时过滤和高帧性能，甚至可以使其捕捉到超分辨率显微镜的图像，更好的显示染色体结构变化，”瑞士洛桑联邦理工学院的 KyleDouglass 在公司网站上写到。这款照相机售价15,950美元。 STR?MVIK：高质量科研图片需求的增长伴随着对信息处理能力需求的增加。在照相机上安装现场可编辑逻辑门阵列是一条可行之路。第八名Horizon Discovery 公司Turbo GFP 标记 HAP1 细胞 Horizon 公司的 HAP1 细胞已经连续三年入选年度十大创新成果榜单。2014年，CRISPR 编辑敲除细胞系入选(后被 Haplogen 公司出售) 2015年，用户定制敲除细胞系入选。2015年10月，Horizon 推出了 Turbo GFP 标记 HAP1 细胞，这种可在无需过表达特定基因的情况下对目的蛋白进行荧光标记的细胞系入选2016年度十大创新成果。 Horizon 公司细胞系高级产品经理 Daniella Steel 说，相比于抗体标记，该技术的最大优势在于其简便性。“有别于抗体技术，使用该技术不需要鉴定和优化，可以直接对活细胞进行观察。” 瑞典皇家理工学院的 Emma Lundberg 最近正在她的人类蛋白质图谱项目的工作中使用这种细胞。Emma 主管共聚焦显微镜下蛋白质亚细胞定位工作，她说基因的过表达有时会导致蛋白定位的假阳性或假阴性结果。“而现在你能看到你的标记物在哪里，并且知道它们是内源表达的，”她说，“HAP1 细胞操作起来很简单，很适合细胞成像工作。” 由用户定制的此种细胞系售价3,400美元，制作周期大约16周。Horizon 还推出了一些用荧光标记蛋白标记特定细胞器的细胞系，售价1,450美元。Lundberg 认为，考虑到实验室中培养和鉴定细胞所花费的时间，这个价格很合理。 Platt：这种基因改造细胞的进步在于，利用 CRISPR-Cas9 技术，这种细胞用 Turbo GFP 来标记基因??无需后续的免疫标记操作。 Fishman：利用 CRISPR-Cas9 自释放标签，使用者可以得到 Turbo GFP 标记的蛋白。蛋白质的内源性标记优于外源性标记，并且更加可靠和经济。第七名908 Devices 公司ZipChip 微流体可分离质谱接口 ZipChip 是一款从本质上加速了质谱分析方法的微流体设备，它将所需样品体积最小化，同时拓展了质谱分析可处理的样本范围。这个不足一英尺长的小盒子可以直接接入质谱仪，并通过其内置的载玻片大小的微流体芯片对样品进行处理。 通常，准备质谱样品是一个耗时且容易出错的过程。ZipChip 减少了潜在复杂情况的发生。908 Devices 共同创始人，ZipChip 开发者 Chris Petty 说，“使用我们的前端设备，样品几乎不需要经过任何准备过程，即使样品中含有盐粒子、去垢剂或者其他基质，检测过程都不会受到影响。” Petty 说，使用毛细电泳法，ZipChip 可以在两到三分钟内分离出样品中的化合物，而液相色谱法需要长达一个小时。她还说，这一设备提供了更好的样品分离方法，可以对蛋白质、抗体以及抗体药物复合物等较难分离的分子进行分离。而且这种方法只需要几纳升样品。目前该设备售价30,000美元，配备自动进样器另加20,000美元。 纽约大学代谢组学研究者 Michael Pacold 说，将 ZipChip 引入实验室拓展了他的研究项目，ZipChip 能够更加快速的获得数据，也可以测量更多来源的样品。“许多临床研究都只能从样品库中获得几微升的血浆样本，”他说，“如果没有 ZipChip 这样的技术，这些实验不可能开展。而现在不可能已经成为了可能。” Platt：毛细管电泳、样品分离和直接向质谱单元加样使小体积样品(ZipChip 可用几纳升)测定成为可能，并且可能在减少准备时间的同时降低检测成本、提高样品识别率。 Unger：这一发明使用集成微流体技术作为质谱分析的前端，极大的提升了质谱分析的速度，同时还保留了样品的完整性。这将进一步促进质谱技术的普及，使其在研究领域和生物医疗领域得到更广泛的应用。第六名NanoStringTechnologies 公司nCounter Vantage 3D Panels 2008年 NanoString 首次推出了 nCounter 分析系统，这个可以识别特定分子荧光条形码的自动化显微成像系统，可以对 mRNA 进行单分子定量检测。NanoString 计划将该技术从 mRNA 拓展至 DNA 序列和蛋白质的单分子定量。2016年，该公司终于达成这一目标，推出了 nCounter Vantage 3D Panels。 “升级后的 Vantage 检测系统可以对 mRNA、DNA、蛋白质甚至蛋白质磷酸化位点进行电子计数，”NanoString 研发部高级副总 Joe Beechem 说。2016年4月，NanoString 推出了第一款 Vantage 检测系统，该系统可用于对肺癌和白血病样本的 RNA 电子计数，也可用于实体瘤释放的蛋白质和免疫细胞信号分子，以及 DNA 单核苷酸位点突变的检测。 德克萨斯大学 MD安德森肿瘤中心系统生物学部主任 Gordon Mills 帮助研发了 Vantage 系统，并在安德森肿瘤中心扎耶德研究所将其应用于癌症的个性化治疗。“可用于实验室检测的平台很多，”他说，“但是没有一个能够和 nCounter Vantage 一样拥有结果稳定性和操作简便性，并且可以同时检测患者样本中的DNA、RNA 和蛋白质。” nCounter 分析系统售价149,000至280,000美元，使用 nCounter Vantage 3D Panels 测量单个样本需花费275美元或更多。不久的将来，NanoString 和 Mills 实验室计划推出能在单细胞水平上测绘生物分子空间分布的新版 Vantage 系统。 Wiley：这项技术可以同时测量少量样品中的 DNA、RNA 和蛋白质丰度，凭借这一点，它有可能成为今年最大的技术突破。 Str?mvik：这项技术推动了当前的肿瘤学研究，将来还有可能被应用于其他领域。这是一台能够测定多达800种指定 DNA、RNA 或蛋白质的设备。第五名Thermo Fisher Scientific 公司LentiArray CRISPR 文库 CRISPR-Cas9 技术非常实用，被誉为使基因编辑大众化的革命性技术。Thermo Fisher Scientific 公司的 LentiArray CRISPR 文库于2016年9月面世，使这一技术在筛选性实验中的应用变得更加方便。该公司推出了一系列试剂，当它们被加入到任何人类来源细胞(无论是海拉细胞还是诱导多能干细胞)中时，每个细胞中会有一种基因被 CRISPR 敲除。 美国西北大学的 Simone Sredni 主要研究一种名为恶性横纹肌样瘤的高侵袭性儿童肿瘤，最近她参与了该文库的黑盒测试。Simone 使用这一技术来筛查160种激酶突变后患者肿瘤细胞中产生的变化，从而找出影响细胞增殖和生长的突变。三个月后她得到了大部分的数据，并且发现了一些突变后可以减慢细胞生长的基因。“真的很快，”她说。仅仅用了一年多一点的时间，她就已经开始使用动物模型在体内测试这些激酶抑制剂的效果了。“如果没有这种筛查技术，我是绝对不可能做到的。” 该文库有多个版本。用户可以从19个不同的基因集中任意挑选，定制属于自己的筛选方案，或者对18,000个基因进行无差别筛选。“它不仅是市场上最高效的筛查技术，还在为不同需求构建不同实验方案上给出了很大的可操作空间，”Thermo Fisher Scientific 合成生物学研发部高级主管 Jon Chesnut 说道。 Sredni 说，每个文库售价10,000美元，可能有点小贵，但是对于想要从事高效筛选的实验室来说，物有所值。 Str?mvik：任何将 CRISPR 技术带入高通量水平的工作都是值得关注的。 Wiley：这是一个很好的辅助系统。虽然你也可以自己组建文库，但这个系统提供了一种寻找基因生理功能的合理方法。第四名Axion BioSystems 公司Lumos 光传输系统 Axion BioSystems 公司于2015年10月发布的新产品 Lumos 光传输系统，让体外光遗传学操作变得更加精确和可重复。该装置上有48个孔，每孔中有4个可独立控制的 LED 灯，可以分别以百万分之一秒的精度闪出不同波长的光(蓝、绿、橙和红色)。将装置放置在下方配有记录仪的微阵列培养平皿之上，研究者可以利用设置好的程序对多个培养体系中的细胞进行刺激、操纵和测量。 哥伦比亚大学遗传学家 David Goldstein 正在使用 Lumos，他利用这一技术研究带有不同致癫痫突变的体外培养人神经元细胞网络。他说：“长期以来，在癫痫精准医疗的大环境下，我们都在寻找一种中等复杂度，但是仍然高效的，可供我们筛选化合物的体外模型。” 体外培养神经元网络倾向于同步产生突触放电，这就大大减少了研究者们能从这一体系中收集到的神经元行为数据。“更加复杂的细胞交流行为可能会揭示突变的致病机制，想要获得这些信息，我们就需要调制和测量神经元的行为。”Goldstein 同时表示，他对 Lumos 在接下来一年中的表现十分期待。“这个系统能帮我们做到这些。” Lumos 售价26,000美元。 Unger：这一高通量光学激发系统是逐渐成形的生物光子学领域中的首个大规模实用装置。 Platt：这个平台赋予研究者们精确掌控的能力。多光频大功率 LED 灯增加了光刺激的可控性，为研究特异性光控蛋白创造了更多的操作空间。第三名Pacific Biosciences 公司Sequel 测序系统 Sequel 测序系统是 Pacific Biosciences 公司最新推出的一款单分子、实时(SMRT)测序仪，这款新测序仪的体积和重量不到该公司原始款长读长测序仪(long-read sequencer)的三分之一，而价格则是其一半。 Sequel 在2015年秋季首次亮相，它可以提供与其同公司前辈 SMRT 测序仪 PacBio RS II 一样的长读长单分子测序服务。纽约市西奈山伊坎医学院的 Robert Sebra 从2015年10月开始使用这一系统，他认为与 PacBio RS II 相比，Sequel“是一款更高效的 SMRT 测序仪，在相同时间中可以得到更多的数据，满足更大规模的基因组学和生物学研究对分子层面的更高要求，同时也可以更加高效的进行宏基因组样本的分析。” 2007年到2012年，Sebra 在 PacBio 公司工作的六年时间中，使用 SMRT 技术进行过多种实验研究，其中还包括人类基因组从头测序。“这种技术非常灵活，不管是用于研发(R&D)还是产物测序都很好用，”他说。“本质上来说，这一技术没有系统误差，可以在长读长测序中得到高质量的数据，从而更容易发现那些之前未被描述过的基因。” Sequel 测序技术在宏基因组学研究和感染性疾病研究中也有部分应用。Jonas Korlach 是 PacBio 公司的首席科学官，也是 SMRT 测序技术的共同发明人(Nature, 538:243-47, 2016)，他说这项技术最近被应用于制作一个韩国个体的参考基因组序列。2016年10月，万种脊椎动物基因组计划(G10K)和万种鸟类基因组计划(B10K)的领导者都积极宣布，将选择 SMRT 测序技术作为他们的一项主要技术。 350,000美元的价格使得 PacBio 测序仪能够被更多的实验室接受。Korlach 说：“现在的 SMRT 已经人人可用了。” Fishman：Sequel 测序系统是在 Pacific Biosciences 之前版本基础之上的一大进步，它有更高的效率、更大的延展性，同时价格更加低廉。 Str?mvik：虽然小型的实验室仍然负担不起，但这样的高效长读长测序技术是任何大型复杂基因组学研究、宏基因组学研究和宏转录组学研究都必不可少的。第二名Organovo 公司ExVive 3D 打印人类肾脏 评估候选化合物是否具有肾毒性是药物研发的一个重要环节，但原有的细胞模型和动物模型只能近似的模拟人类肾脏。Organovo 公司研发的 ExVive 人类肾脏组织使用 3D打印技术构建，能够模拟人类肾脏近曲小管。这一发明为药物研发者提供了可靠的肾毒性测试方法。 目前为止，几乎没有临床前实验可以确定潜在药物是否具有针对人类的毒性，这使得临床试验变得危险。识别肾毒性可以减低临床试验的风险。更重要的是，“这意味着可以保护参与临床试验的患者免受伤害，”Organovo 首席科学官 Sharon Presnell 说。 3D生物打印与 3D塑料打印原理大致相同，Presnell 解释道，“不过我们放入打印机中的是小量聚合的细胞，而不是高分子聚合物粉末。”2014年，Organovo出品的 ExVive 肝组织就在当年的十大创新成果榜中占据了一席之地，该公司依据具体合同为用户提供组织样本，具体价格根据客户需求的数量和种类有较大范围的浮动。 Presnell 还说，替代性肾组织不仅可以用于毒理学研究，也可以为不能通过其他手段实现的肾组织研究提供平台。 Ardea Biosciences 公司的新陈代谢和药物代谢动力学研究人员 Caroline Lee 对这种人造肾脏组织的转运蛋白表达进行了描述性研究，她表示：“这种组织的表现和真实肾脏组织几乎完全一样”。她发现组织中的定向转运蛋白可以正确地排列在膜上。“你可以看到药物沿着正确的方向被转运，”她说。“这很了不起。” Unger：这种从形态和功能上复制肾组织的方法十分新颖和大胆，这一发明打破了传统细胞培养模式在组织层面对药物毒性评估的限制。 Fishman：这种技术可以用以替代临床前动物实验，减少我们在新药测试中对实验动物的依赖。通过在新药肾毒性测试中更好的模拟人类肾脏的生物学特性，它具有改变药物研发过程的可能。第一名ProteinSimple 公司Milo 单细胞蛋白质表达定量分析系统 能够进行单细胞蛋白质印迹(Single-cell Western blotting)的仪器已经上市。这款名为 Milo 的台式仪器由加州大学伯克利分校的 Amy Herr 研究组发明，可以一次性对1,000 个单细胞中的特定蛋白质进行检测。使用者将细胞悬液滴加到一个1乘3英寸的玻璃载玻片上。这个特制的载玻片上覆盖着一层30微米厚的凝胶层，在其表面有约6,400个微孔。当细胞被滴加在凝胶层上时，细胞将进入这些微孔，有些微孔中会没有细胞，而大约1,000个微孔会被单个待测细胞填充。加入裂解细胞和使蛋白质变性的试剂后，施加电流使蛋白质进入孔间的凝胶中，并用紫外线激活凝胶中的化学试剂，使蛋白质被锁定在其中。 Herr 实验室毕业研究生，ProteinSimple 公司现任市场总监 Kelly Gardner 说：“传统的蛋白印迹检测不能体现细胞间的异质性，因为传统技术是从集体层面分析样本的。Milo 让研究者们可以区分细胞亚群。”2014年6月对这项技术的概念描述首次发布时，学术界就对其产生了广泛的兴趣。在这种热烈响应的激励下，Herr、Gardnerand 和他们的同事 Josh Molho 创建了 Zephyrus Biosciences 公司，2016年3月该公司被 ProteinSimple 公司的母公司 Bio-Techne 收购。Bio-Techne 拒绝公开 Milo 的准确报价，但宣称每台 Milo 的价格与台式流式细胞仪相近，有意购买的研究者可以通过网站询价。由于产品刚刚问世，目前公司也还无法提供用户评论。 Unger：新型的特制盖胶玻片省去了转膜的步骤，并且可以同时进行上千个单细胞的高效大规模分析。随着仪器价格的下降，对很多问题蛋白(例如电泳能力较差的蛋白)进行更加细致高效的研究成为可能，研究者们也能获得更多关于单细胞响应的信息，这是现在研究中非常重要的领域。 Fishman：这是对已知技术进行低成本小空间改造一个榜样。通过同时测量细胞间蛋白质表达的异质性，这一技术大大节省了研究者的时间。 评审小组成员JENNIFER FISHMAN 麦吉尔大学生物医学伦理学部、医学社会学系副教授，社会学系及健康与社会政策研究所成员。毕业于加州大学旧金山分校，获得社会学博士学位。H. STEVEN WILEY 西太平洋国家实验室资深研究员。参与建立了最早的部分受体调节计算机模型，因其在多种生物化学和光学定量分析方法方面的研究而闻名，这些模型和方法是评价细胞进程的基础计算模型。MANU PLATT 佐治亚科技大学副教授，佐治亚理工大学Coulter生物工程学专业及艾莫利大学招生招聘主任。主要研究组织重塑、系统生物学，并借助计算和实验对多种疾病进行研究。BARRY UNGER 波士顿大学行政管理副教授。创建或任职于库兹威尔电脑(即后来的 Xerox Imaging Systems)等多家公司。他还是MIT企业论坛的共同创始人和荣誉主席。MARTINA STR?MVIK 麦吉尔大学副教授、麦吉尔生物信息中心植物学系主任。主要从事玉米和森林植物基因表达后功能学解剖结果研究。 最终结果由评审小组从众多公司及使用者提名的入围产品中评选得出。评审小组完全独立于The Scientist 杂志，并对生命科学研究仪器及技术高度熟知。小组成员均与参评公司及产品无任何财务关系。
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