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2018-12-24

【2018榜单】《科学家》评出年度十大生物革新

随着大数据的成熟、全基因组测序和其他广泛的研究,有时研究人员似乎用宏观替代了微观。但今年十大生物革新的竞争却道出了一个不同的故事。

《科学家》独立评审团筛选出了今年获奖的研究成果,而其中很多激动人心的工具技术的目的都是为了撬开单个细胞,以获取它们的DNA、RNA和/或蛋白质中包含的数据。在单个细胞水平获取这些生物学信息的优势,就在于揭示在混合样本中无法检测到的组织中的变化。例如:在癌症研究中,这样的分析可以使科学家能够在独立细胞基础上,取样数千个快速分裂的细胞并了解它们之间的差异,从而更准确地描述肿瘤异质性。

在今年的获奖名单上,也有一些表现突出的成品,包括已经启动或已经预测试过的技术,以及真实的实验室技术,如质谱法和基于CRISPR的基因组编辑。

以下是《科学家》杂志评选出的2018年十大生物革新获奖者(每个获奖者介绍后面都附有一位评审的一句评论):



1、Sphere Fluidics · Cyto-Mine

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Sphere Fluidics是一家以英国为基地的生物科技公司。大约5年前,Sphere Fluidics员工就他们的单细胞分析技术是否起作用,征询了35家生物制药公司的意见。答复表明,这种技术确有其用武之地,在从事抗体和细胞系工作的公司中尤甚。

这项被广泛认可的技术就是Cyto-Mine,一种简约的台式仪器。它可以胜任通常由多种仪器共同完成的任务,Sphere Fluidics从今年夏天开始销售这种仪器。公司销售及市场总监Rob Marchmont说:“这基本上是世界上第一个专门设计的集成设备,可以自动完成抗体发现和细胞系开发工作流程中的所有步骤。”

Cyto-Mine藉由将细胞分别分类到各自所属的微小液滴,筛选出一个由最多200000个细胞构成的样本,并评估它们是否具有所需的特性(例如特定蛋白质高表达量或抗原特异性),然后将好的细胞分配到微量滴定板上,用户可以从其中培育克隆品。

Janssen制药公司的科学家汤姆·凯利(Tom Kelly)是Cyto-Mine的早期测试人员,现在正使用最终版本(售价45万美元)来选择生产大量生物药物的细胞系。他说,Cyto-Mine最大的优势就是给出的克隆系的可信度,可以确认每孔中只有单一经过验证的细胞。他以前的实验方案包括一个额外的步骤,使处理时间增加了一倍。“在以前的步骤里,从转染做到冻存管需要3个月,”他说,“现在6周就能完成。”

KOEHLER:“我们平时难以找到一个单一的集成平台,为下游分析提供筛选和细胞复苏功能。完全的自动化以及精于温和操作的系统可以提高实验的真实度。”


2、Mission Bio · Tapestri精密基因组平台

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2017年12月推出的Tapestri精密基因组平台,是首个用于单细胞DNA测序样本准备的高通量仪器。利用基于液滴的微流控技术,Tapestri首先使细胞暴露于一种蛋白酶中,蛋白酶能溶解细胞核,使DNA从凝缩染色质的形成中解放出来。然后,加热将蛋白酶变性,再加入试剂,放大感兴趣的位点,并根据它们的原始细胞对它们进行条码编码,使样品准备好输入下一代测序器。

“这很是令人激动,”MD安德森癌症中心的遗传学家尼克·纳文(Nick Navin)说,他的研究小组在约一年的时间里经常使用该仪器来检测单个乳腺癌细胞中发现的突变组合。“这让你能够真正了解肿瘤的基因亚结构,”他说,以及“重建突变的进化。”

Tapestri可以同时准备多达10,000个细胞,而在将细胞分类进孔板时只能准备384个细胞。此外Navin还说,仪器准备样品只需一天,而采用平板法则需要5至7天。

Tapestri的价格为79,500美元,每个样品的消耗约为795美元至1,300美元。Mission Bio公司首席科学官丹尼斯·伊斯伯恩(Dennis Eastburn)说,Mission Bio提供了几个固定的面板,针对各种癌症的相关位点,并可以针对多达300个需要的基因位点的开发定制面板,以及在未来,可能会更多地扩展Tapestri在肿瘤学领域以外的应用。

WILEY:“这一新的微流控平台,用于高通量单细胞DNA测序,可以成为分析肿瘤细胞异质性和理解肿瘤进化机制基础的有力途径。”


3、Fluidic Analytics · Fluidity one

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Fluidic Analytics公司的研发主管肖恩·德文尼什(Sean Devenish)说:Fluidity one有许多的潜在应用,其中之一就是“常规生物物理学”,制作蛋白质分析仪器的。Devenish设想实验室可以经常使用这种仪器进行质控。

在刚获得的时候以及从冷库里取出的时候检测含有蛋白质的溶液,确保其中的蛋白质没有被降解。用户将5μL的样品滴至一次性微流控芯片上,然后将其插入台式的Fuidity one。样品随缓冲液平行穿过一个腔室,蛋白质在其中扩散。该仪器测量这种扩散的速率,以计算得出蛋白质的平均尺寸;也可以测量样品的浓度。

德国杜塞尔多夫大学研究疾病中蛋白质聚合的Alex Bull发现:Fluidity One在分析患者尿液样本时很有作用。他解释道:“准确地估算浓度是非常困难的,所以我们使用Fluidity One来确定浓度,我们还观测蛋白质的聚合和二聚体/单体的平衡。”

Bull表示,与光散射测定(测定溶液中蛋白质大小的一种标准技术)相比,Fluidity One的优势在于,光散射的结果会被溶液中的任何聚合体主导影响,而Fluidity One则提供了现有蛋白质的“真实平均”大小值。Devenish补充说,该仪器还可以显示蛋白质是否相互结合,或是与DNA、脂质或纳米颗粒结合。

Fluidity One的价格是3万美元,加上芯片和试剂,每次运行成本约为5美元。

张锋:“对纯化的蛋白质进行定性和质量控制是一致结果的关键。这种仪器对任何生物化学实验室来说都是如虎添翼。”


4、10X Genomics · 铬免疫谱分析法

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通过铬免疫谱分析法,研究人员可以研究人体对不同类型感染的适应性免疫反应,并识别对免疫系统激活作出反应的特定细胞类型,无论感染是由细菌、病毒还是甚至癌症触发。10X Genomics于3月发布的这项技术,建立在单细胞测序的基础上,可以让研究人员区分样本中的每个T细胞和B细胞,以及每个细胞上Y形受体的基因序列。

“我认为人们没有意识到他们可以从这个产品中获得所有这些信息,”10X的单细胞基因部门的战略营销总监乔万娜·普鲁特(Giovanna Prout)说,“而且,随着最近一些新产品的发布,研究人员还可以得到更多。”

利用DNA条形码技术,该工具现在可以确定是哪种类型的T细胞或B细胞对特定抗原作出反应。Prout解释说:“现在你可以观察这些细胞对某种特定病毒或疾病的克隆扩充。”

条码技术还通过将基因表达与细胞表面蛋白表达数据相结合来改进对细胞表型的分析,因为抗体是与条形码相连的,而不是与流式细胞术中使用的荧光标记相连。由于条形码的多样性,研究人员可以同时检测到更多的细胞表面标记,是我们得以前所未有地一览人类和鼠的免疫系统。每个样本的筛选成本为1,500美元。

在 Chris Klebanoff位于纪念斯隆·凯特琳癌症中心的实验室里,他和同事们正在寻找新的T细胞来作为治疗实体恶性肿瘤的方法。“10x平台的独特之处在于它能够以一种用户友好的方式将T细胞受体数据与单细胞水平的基因表达结合起来,”该实验室的高级研究科学家Smita Chandran说。“我最兴奋的是,它的翻译功能可以用于识别和锁定能够介导肿瘤反应的独特T细胞。”

VAN VLIET:“用这种方法分析T细胞和B细胞的受体序列提供了信息充足的数据集,可以在出现任何分化或转导之前帮助我们了解初始细胞群,并有助于对这类细胞的生物细胞属性的定义。”


5、Fasmatech · Omnitrap

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对于希望用串联质谱法分析大分子的蛋白质科学家来说,Omnitrap设备提供了新的能力。该平台是一个射频离子阱,它处理蛋白质,并获得关于蛋白质序列,结构和分子相互作用的信息。它可以处理高分子量的蛋白质,这正是以往的技术中的局限所在。

Karolinska研究所的化学家Roman Zubarev说:“Omnitrap能让人获得独特的信息,这些信息是用其他方法不可能,或者说几乎不可能获得的。”

Zubarev带领一个团队在项目中使用该设备,以执行所谓的自上而下的抗体测序。自上而下的分析保持了大的蛋白质结构的完整,而不是像其他分析方法要求的那样去消化它们,祖巴列夫说,Omnitrap将是这项工作的关键。

Fasmatech的总部位于雅典。其创始人兼首席科学官Dimitris Papanastasiou称,该产品的主要优势之一就是能够以多种方式对蛋白质进行切割。这使得用户可以在不同的情形下观察蛋白质的性质,并使用同一种设备进行观察。“它真的很独特。”他说。

Ominitrap是Thermo的Q Exactive质谱仪的附加品,价格250,000欧元(288,000美元)。

张锋:“蛋白质质谱技术的进步将为生物研究带来革命。”


6、AcouSort · AcouWash

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2010年,瑞典隆德大学的研究人员提出了利用声音迁移细胞的概念,这种现象被称为acoustophoresis(sound waves migration,声波迁移)。同年12月,他们推出了AcouSort,将这项技术商业化。

今年早些时候,该公司正式推出了第二款产品AcouWash,该产品可以将细胞从一种介质清洗到另一种介质,丰富或浓缩细胞样本,以及根据尺寸分离细胞,这些功能全部使用超声波。

声波“将一定尺寸的粒子或细胞推入样品经过的[a]微通道中心,”这种价值5万美元的仪器的首席工程师 Jay Mallinson解释道。研究人员可以根据他们试图分离的细胞的大小来调整声波的振幅——实际上更大的细胞只需要更小的力来移动,因为声波会作用于更大的表面积。之后就仅仅是引导其流经分离器的问题了,它可以将需要的细胞从背景基质中分离出来。

隆德大学的Johan Jakobsson分子神经遗传学实验室的博士后Karolina Pircs说:AcouWash最大限度地减少了细胞损失,这可以通过反复清洗和离心来实现——这是一项巨大的优势,用于处理含有少量细胞的样本时。

Pircs的研究包括直接将亨廷顿的患者和健康对照者的成纤维细胞重新编制成神经元。她去年帮助制定的一项实验方案(EMBO Mol Med,9:1117-131)转化了30%~40%的成纤维细胞,这意味着研究人员必须将转化的细胞从未转化的细胞中分离出来。她说到目前为止已经测试过两次的AcouWash系统,可以带来比传统的六步离心程序多出10%的细胞产率。

VAN VLIET:“虽然本发明的功能简单,但它以相对较低的剪切速率处理小样本量的能力对于间歇取样,以及工序开发、生产方案优化时的细胞分析是一个很有吸引力的选择。”


7、Horizon Discovery · Dharmacon Edit-R荧光Cas9核酸酶mRNA

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为了使用基因组编辑工具CRISPR-Cas9,研究人员通常将编码了该工具的各组件的DNA插入到他们想要编辑的细胞中。但是一旦这种外源DNA被整合到宿主细胞中,就不太容易再次去除了。

确切来说,研究人员可能会担心编码了Cas9核酸酶的DNA持续存在。英国基因编辑公司Horizon Discovery的产品经理Amanda Haas说,通常情况下“在编辑后的很长时间,细胞中仍有Cas9的表达。”这意味着酶仍能与宿主DNA相互作用,可能会导致在非目标位点上对基因组进行不必要的切割。

该公司的最新产品之一,Dharmacon Edit-R荧光Cas9核酸酶mRNA,旨在通过为Cas9酶提供RNA转录本而非DNA来解决这个问题。Haas指出,在靶细胞合成了帮助筛选细胞的荧光蛋白质后不久,这种mRNA就会被自然降解。因此“虽然你做的编辑是永久的,”她解释,“但不会有残余的编辑系统仍然存在。”

Haas说,Horizon Discovery公司的随取随用的Dharmacon Edit-R荧光Cas9核酸酶mRNA,一管20微克,定价400美元。这些已经足够做数项实验。Horizon Discovery还无法定位一位能对该产品进行评论的用户。

KOELHER:“这种价格合理的工具使FACS可以扩增编辑后的细胞群。我的实验室准备使用这种产品,我认为它可能会影响数个项目。”


8、Inscripta · MAD7

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CRISPR基因编辑技术是生物医学的革命性工具。但是,利用CRISPR-Cas9或CRISPR-Cpf 1进行研究的产品商业化,对于许多学者和小型初创企业来说,最终可能会变得昂贵得令人望而却步,因为核酸酶的使用伴随着高昂的许可费用和版税。

因此,科罗拉多州的创业公司Inscripta的研究人员发现了一种新的核酸酶(作为对马达加斯加令人印象深刻的生物多样性的一种认可命名为madzymes)之后,他们做出了一个集体决定。“我们说过,这是一项太重要的技术,无法紧握在手中。”Inscripta首席执行官Kevin Ness解释说,“我们要免费提供这种酶——真正意义的免费。”

截至2017年12月,该公司已将其专利DNA切割酶MAD 7的全部序列,在线提供给所有研究和开发用途,无论它们是商业的还是非商业的、国内的还是国际的。希望将这种酶本身商业化的研究人员,例如在治疗药物中加入蛋白质,只被要求支付一小笔版税。

Louise Baskin,Horizon Discovery公司的产品经理,是一个测试MAD 7的团队的一员,目前正在使用它来编辑哺乳动物细胞。她说:“我们所有的数据都表明它和Cas9一样优秀。”Baskin补充说,因为MAD 7和Cas9有一个不同的识别区域,“它可以根据我们切割的需求展开基因组空间结构。”

在过去的一年里,这个序列已经被下载了1000多次,Ness说Inscripta正在考虑与潜在的分销商合作,这样研究人员就可以直接购买DNA或蛋白质产品。

KOEHLER:“(这是)另一种基因编辑产品,也是Cas9的替代品。Inscripta的目标是打破与成本和知识产权相关的障碍,使基因编辑具有更广泛的用途。”


9、NanoTemper Technologies · Tycho NT.6

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Tycho NT.6的开发人员希望可以随意地对实验室中的蛋白质样品进行质量控制。NanoTemperTechnologies的联合首席执行官Philipp baaske说,如果采用更老的方法,研究人员将就“是否应该测试这种蛋白质”进行长时间的讨论。

现在他们可以直接实行。“在Tycho上运行需要三分钟,需要10μL的样本。该仪器以30°C/min的速率加热样品,同时测量蛋白质色氨酸和酪氨酸残基的荧光,与该样品的参考值相比较。与参考值的差异就会表明,蛋白质是否可能不再按应有折叠方式折叠以至于影响其活性,或者样品是否受到污染或降解。

Gabriel Birrane, Beth Israel Deaconess医疗中心的X射线晶体学核心的领导者, 表示他们的团队已经可以利用Tycho处理不溶性细菌蛋白。他说“我们已经能够用Tycho筛选条件”来识别诱导蛋白质折叠的物质。否则,Birrane补充说找到这些条件会是一项困难且不断碰壁重复的过程。而且他的团队已经意识到,当他们需要验证从柱上脱落的样品中是否含有他们感兴趣的蛋白质时,这种仪器比跑凝胶电泳更快。

一台台式Tycho仪器包含耗材可以运行600个分析点,价格37 500美元。

张锋:“热变性是快速评估蛋白质质量和蛋白质-核酸结合情况的一个很好的工具。生物化学家应该找到这种设备的合适用途。”


10、BD · BD AbSeq分析法

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这项技术使研究人员能够同时分析RNA和蛋白质在数千个独立细胞中的表达。BD生命科学公司今年7月发布的AbSeq法是用于BD Rhapsody单细胞分析系统的,这种方法将抗体与寡核苷酸结合起来,通过高通量测序来估算细胞中蛋白质的丰度。抗体-寡核苷酸耦联物以小瓶基质管形式零售,便于进行标准的2-微升样品测试,具有类似于流式细胞术的蛋白质表达结果。

这种mRNA和蛋白质数据的结合,赋予AbSeq法强大的分析能力。加州大学圣地亚哥分校(University of California,SanDiego)的免疫学研究员John Chang说,“一些单细胞RNA测序工具无法对这些细胞进行彻底的分析,这是由于mRNA捕获效率低下,以及mRNA的不稳定性和翻转性。”

他在实验室使用BD AbSeq法来研究免疫应答过程中的淋巴细胞功能。“能够同时分析同一单个细胞中的RNA和蛋白质的分析方法,如BD AbSeq,可以克服这一限制,并能在许多生物学系统中带来更准确和全面的见解。”

BD公司负责该产品营销的副总裁Steve Kulisch指出,特别是研究人员可以开始研究癌症患者的肿瘤如何与他们的免疫系统相互作用,这些数据有潜力提供更强大、更个性化的癌症治疗方法。目前,该法扫描了100多个不同的人类抗体-寡核苷酸组合,还有更多正在开发中,这将有助于研究人员在不需要进行多项实验的情况下梳理纷繁的复杂疾病。

Kulisch说,25项测试花费375美元,整套测试费用为10,000至50,000美元,根据实验设计的不同,每个细胞可拆分为10至18美分。

WILEY:“(这项技术)使用带有核苷酸标记的细胞表面标记的抗体,以便在单细胞RNA-seq实验中可以轻松区分不同的细胞类型,并将结果与流式细胞仪结果进行比较。(这是)一项有效而创新的扩展抗体标记和检测技术,是这项相对新兴技术的第一批商业化项目之一。”



评委

ANGELA KOEHLER

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Broad研究所化学生物学项目研究所研究员,国家癌症研究所化学遗传学倡议小组组长。同时也是Broad研究所NCI癌症目标发现和发展(CTD 2)中心的项目负责人。该中心主攻小分子致癌基因。

Krystyn Van Vliet

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麻省理工学院材料科学与工程与生物工程副教务长兼教授。同时任麻省理工学院创新计划的生产创新主任,新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟生物系统与微机械团队的领导。

H. Steven Wiley

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太平洋西北国家实验室高级研究科学家和实验室研究员。发表过最早的受体调控的计算机模型,以开发各种定量生化及光学分析为基础来验证细胞过程的计算模型而闻名。

Feng Zhang

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麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所核心成员,麻省理工学院神经学教授。同时任麻省理工学院大脑与认知科学与生物工程学系副教授。

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