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【盘点】The Scientist: 2016年生命科学领域十大创新技术

在科研界,新技术的出现总是那么快,就像一阵龙卷风。也许你跟上了,也许你错过了。为了不让大家错过每一项创新产品和技术,The Scientist近日评选出了对科研和医学领域影响较大的十大创新产品。


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2016年的十大创新产品包括了大胆的新平台,有望为基础生物学、药物研发和临床实验领域带来更多新发现。遗传学家们可能会陶醉于一台单分子长读长的测序新平台,而合成生物学家正渴望着CRISPR-Cas9技术的发展;这就如同生物学它本身,生物科学技术往往超过其各部分之和。

 

值得一提的是,今年的十大创新产品名单中,出现了越来越多的临床相关技术,如合成人肾组织给培养皿里的组织赋予了器官特性。这些发明提醒着我们,创新和发展出现的时候,得益的不仅是生产商、开发商和学者,得益的还有人类。

 

从单细胞Western blotting机器,到简化质谱的微流控设备,今年的十大创新产品榜单是革命性的生物科学进步的颁奖礼。

 

ProteinSimple >> Milo

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Milo由加州大学的Amy Herr实验室研发,是一部单细胞Western blotting台式机器,研究者可以一次性在约1,000个单细胞找到特定的蛋白,他只需用移液枪加一滴细胞液到1x3英寸的玻片上,玻片上覆盖有30 um厚、点有6,400个微孔的凝胶层。细胞加到凝胶后,约有1,000个孔能够收集到单独的细胞,用于分析。然后实验人员加试剂,化学裂解细胞,让蛋白变性;用电荷把蛋白拉入孔间,再用UV灯激活凝胶里的化学药物,固定蛋白条带。

 

ProteinSimple的市场总监说:“传统Western不能体现异质性,而Milo可以鉴定亚单位。” Zephyrus Biosciences公司没有给出Milo的具体价格,只表明它与一部台式流式细胞仪的价格差不多。

 

评价员观点:

 

Unger评价:价格降下来的话,Milo可以用于蛋白的高效检测,并得到单个细胞的应答信息,这是现今很重要的一个探究领域。

 

Fishman评价:这是让已有的技术价格更低,所占空间更小的一个例子,同时还节约了研究者检测细胞样本中蛋白表达异质性的时间。

 

Organovo >> ExVive Human Kidney Tissue

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药物开发的一个关键是检测药物是否会损害肾脏,但现有的细胞培养和动物模型只能近似于人类的肾脏。来自Organovo 公司的ExVive Human Kidney Tissue是一种使用3D生物打印的肾脏近端小管复制品,为药物开发人员提供了一种可靠的肾毒性测试方法。

 

目前,很少有临床前测试可以确定一个药物对人体是否有毒,投资临床测试对研发商来说是一项风险,如果在早期发现肾毒性,就能让风险降低,更重要的是知道你在做的事对将要进行临床实验的患者真的没有危害。 生物打印的工作原理类似于3D塑料打印,但放进打印机不是聚合物珠子,而是小的细胞聚体。这个肾组织复制品还可应用于毒理学意外的领域,作为一个肾组织实验平台。

 

”它似乎和天然的肾组织一样完整。“Caroline Lee说。她是Ardea Biosciences的代谢和药物动力学研究员,检测人工组织中的转运蛋白表达。她发现定向运输蛋白可以沿着膜准确定向。”你可以看到药物往正确的方向走,这非常了不起。“

 

评价员观点:

 

Unger评价:用一个这么创新且大胆的方法,复制形态和功能都有的肾组织,这项产品远优于传统的细胞培养法,具备了组织水平的预测能力。

 

Fishman评价:这项技术可替代临床前动物试验,减低我们对实验动物检测新化合物的依赖性,有望更好地模拟人类肾脏生物学、检测新药物的肾毒性,给药物研发带来一场变革。

 

Pacific Biosciences >> The Sequel System

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Pacific Biosciences最新推出的单分子实时(SMRT)测序仪Sequel System比它家原始的长读长测序仪尺寸和重量至少小了1/3,价格减少了一半。

 

Sequel在去年秋天推出,与称为PacBio RS II的老SMRT测序仪有着相同的长读长和单分子分辨率,但它是SMRT的高通量版本,产出更快,能应对更大的基因组和更高的分子深度需求,如宏基因组样本。

 

PacBio的员工Sebra在过去的6年将SMRT技术应用于多个实验,包括人类基因组从头测序,他说:“它能灵活应用于研发和生产测序,基本上没有系统误差,做到了高质量测序数据与长读长融合,帮助发现新的基因组特征。”

 

Jonas Korlach,SMRT测序的发明人之一,说Sequel特别适用于宏基因组和传染病研究,最近用于韩国个体参考基因组的研究中(Nature, 538:243-47, 2016)。10月份,Genome 10K (G10K) 和Bird 10,000 Genomes (B10K)的领导人宣布选择SMRT测序作为主体技术。

 

PacBio测序仪在价格表上为US$350,000,将惠及更多的实验室。

 

评价员观点:

 

Str?mvik评价:虽然小的实验室很难负担,但是高通量、长读长测序仪是任何团队研究大型和复杂的基因组、宏基因组和宏转录组所必需的。

 

Axion BioSystems >> Lumos

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Axion BioSystems在2015年12月首次发布的Lumos light-delivery system使体外光遗传学比以往更精确、重复性更好。这项设备上有48个孔,每个都有4个单独可控的LED,能闪烁不同波长的光:蓝、绿、橙、红,精确至微秒。把它放微阵列培养皿(microarray culture plate)上,recorder在下方固定,研究者就能刺激、操纵和测量各种细胞。

 

遗传学家David Goldstein已准备利用Lumos在他哥伦比亚大学的实验室里研究癫痫突变神经元网络的行为,他说:“我们已经花了很长时间找一个精准的癫痫药物环境,用于体外配培养基模型中,同时有足够高的通量可以筛选化合物。”

 

培养神经元网络趋于与它们的突触发射(firing)同步,这样实验者从它们的行为中获得的信息数量就会变少。为了获得更多的复杂行为,揭示突变带来的影响,研究者想要在检测应答的时候优化网络里的活动,而Lumos有望帮助研究者达到这个效果。

 

Lumos价格为US$26,000。

 

评价员观点:

 

Unger评价:这个在多孔培养皿中的高通量光学刺激系统,是新兴的生物光子学领域出现的首台大范围的实用的仪器。

 

Thermo Fisher Scientific >> LentiArray CRISPR Libraries

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CRISPR-Cas9技术因其易用性,被誉为让基因编辑大众化的技术。Thermo Fisher Scientific 九月推出的LentiArray CRISPR库,让筛选实验变得更简单。Thermo研发的试剂适用于多种人类细胞,从HeLa到诱导多能干细胞,都能使用CRISPR将基因逐个敲除。

 

来自美国西北大学的Simone Sredni正研究横纹肌样瘤(rhabdoid tumor)。她参与了这文库的优化测试,筛选患者肿瘤细胞中突变的160种激酶的作用,找出其中影响细胞增殖和生长的激酶。她在3个月后得到了原始数据,有几种酶的损伤确实使生长变慢。她说,这真的很快。她花费了一年多一点的时间,做到了体内动物模型这一步,检测抑制这几种酶之后的效果。她认为没有这个筛选实验的话,她无法找到这几种酶。

 

这个文库有不同的款。客户可以选择19个不同的基因集,定制化芯片,或者进行约18,000个基因的筛选。Thermo的合成生物学研发总监说:这不仅是市面上最高效的筛选技术,还为我们各种实验提供了更多选择。

 

Sredni认为,一个文库US$10,000起步有点贵,但是对实验室进行高通量筛选来说还是值得的。

 

评价员观点:

 

Str?mvik评价:任何将CPISPR运用到高通量水平的技术,至少值得一看!

 

NanoString Technologies >> nCounter Vantage 3D Panels

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在2008年,当NanoString首次推出它的nCounter分析系统:一台能计算与靶分子结合的彩色条码的自动显微镜,目的是让量化mRNA和DNA序列、蛋白计数的技术更成熟。今年,NanoString达到了这个目的,发布了nCounter Vantage 3D Panels。

 

Vantag试验扩展到能数字计数mRNA、DNA、蛋白,甚至同时检测蛋白的磷酸化情况。4月份,NanoString发布了首个Vantag试验,用于数字计数肺癌白血病样本的RNA、实体瘤生物学和免疫细胞信号通路相关蛋白,以及DNA的单个核酸突变。

 

Gordon Mills是安德森癌症中心的系统生物学系主任,参与研发Vantage panels,并应用于安德森个性化癌症治疗研究所。他说:“有很多平台可以用于人类样本检测,但是它们中没有谁具有nCounter Vantage system的鲁棒性、易用性和同时处理DNA、RNA和蛋白的能力。”

 

nCounter analysis system价格范围为US$149,000~$280,000,而nCounter Vantage 3D Panels每个样本的运行价格为US$275或以上。在不久的将来,NanoString 和Mills的实验室计划开展新的Vantage panels,添加单细胞范围的分子组成空间定向检测维度。

 

评价员观点:

 

Wiley评价:这项产品可能是同时检测一个小样本中的DNA、RNA和蛋白丰度的最大的技术突破。

 

908 Devices >> ZipChip

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zipchip是一个微流控装置,彻底地加快质谱的速度,只需要最小的样本量,扩大了质谱仪能掌握的样本范围。这个小盒子,不到1英尺长,直接搭载到质谱仪,能在一个显微镜玻片大小的微流控芯片上处理样本。

 

一般来说,准备质谱样本十分耗时,且容易出错。ZipChip减少了这种情况的发生。ZipChip的创造者Petty说:“有了这个前端,我们可以几乎不用怎么处理样本就进行分析,即使含有盐、去垢剂或其他基质。ZipChip利用毛细管电泳能在2~3分钟内分离样本组分,而液相色谱柱起码需要1个小时。这个设备能更好地分离样本,例如蛋白、抗体、抗体和药物的交联物,这些都是其他技术很难分离的。不仅如此,它只需要几纳升的样本量。”这个设备售价US$30,000,自动进样器另外需要US$20,000。

 

Michael Pacold在纽约大学研究代谢组学,他说实验室里有一台ZipChip能让他的课题范围更广阔,因为他能从更多的资源中更快地获得数据。“很多临床实验你只能从库里拿到几纳升的血浆,没有像ZipChip这样的设备,无法完成这些实验。”

 

评价员观点:

 

Platt评价:毛细管电泳,分离样品,只需一点样本就能直接快速完成质谱,费用可能更低,减少样本准备时间还能提高实验的准确性。

 

Horizon Discovery >> Turbo GFP Tagged HAP1 Cells

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Horizon的HAP1细胞已经连续第3年赢得了The Scientist的十大创新产品称号了。在2014年,CRISPR基因敲除细胞系(由Haplogen发售)赢得了此称号;去年,Horizon的定制敲除细胞出现在十大榜单上;去年的10月,Horizon推出Turbo GFP Tagged HAP1细胞,不需要基因过表达就能让目标蛋白带上荧光标签,让Horizon又登上今年的榜单。

 

Horizon的细胞株产品经理说,使用这些细胞而不用抗体标记的其中一个主要原因就是简便。你不需要像使用抗体那样进行筛选和优化,你可以看到这些细胞活着的动态。

 

瑞典皇家理工学院的Emma Lundberg最近收到一批用于她的人类蛋白质图集计划(Human Protein Atlas project)工作的细胞。她负责使用共聚焦显微镜进行蛋白亚细胞定位,她说过表达有时会导致人工蛋白或蛋白的错误定位。而这些细胞产品的好处就是知道标签在哪里,且内源表达的时候它会在哪里。

 

评价员观点:

 

Fishman评价:Turbo GFP使用CRISPR-Cas9 self-releasing tag,内源标签蛋白比外源模型更好,结果更可信,价格更低。

 

Photometrics >> Prime sCMOS Camera

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研究者利用现代显微镜的高性能相机捕获样本的图片。Photometrics的产品经理Mohindra说:“每一年这些相机都变得越来越好,接近完美。”他承认,做到完美是很难的,但是他认为他和同事的研发的4.2 megapixel Prime sCMOS camera做到了。在2016年初发布的这台相机有内置的算法,能减少快门噪音,而无需增加光强度导致样本损伤。Mohindra说:“你可以维持低的光度,让细胞存活得更久,获得更好的数据。”Prime camera将信噪比提高了3至5倍,等于让光下调至10分之1。

 

Prime sCMOS camera的内置算法还减少了研究者收集的数据总量,加快运行和分析的次数。脱机加工时每一帧费时30秒,如果你的相机每秒获得100帧,那就需要50分钟来处理1秒的有效数据。如果使用Prime camera,研究者就能马上完成数据处理。

 

Photometrics Prime sSMOS camera的实时过滤和高帧速率可以捕获更多的超像素显微镜数据,更好地鉴别出染色体结构的变化。它的售价为US$15,950。

 

评价员观点:

 

STR?MVIK评价:对高质量科学成像的需求同时增加了需要处理的信息。添加field-programmable gate array-technology到相机上,似乎可行。

 

Thermo Fisher Scientific >> GeneArt Platinum Cas9 Nuclease

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除了LentiArray CRISPR Libraries,Thermo的另一个突出的CRISPR试剂同时获得了今年的十大创新产品——GeneArt Platinum Cas9 Nuclease。从E. coli提取的重组Streptococcus pyogenes Cas9 蛋白研发的GeneArt Platinum Cas9含有核定位信号,有助于靶细胞的核呈递。

 

Thermo的基因编辑研发经理Potter说:“我们知道这项产品最重要的是稳定的质量、活性和纯度,所以我们通过大量的试验确保提取的过程是高效的。”Potter的团队去年发表的文章表明GeneArt Cas9对多种细胞株的切割效率达到了85% (J Biotech, 208:44-53, 2015)。

 

Matthew Porteus是斯坦福大学的干细胞生物学家,他将GeneArt Platinum Cas9用于他的血液疾病活体外(ex vivo)基因编辑研究,目前使用的是小鼠细胞,已与Thermo合作进行临床试验。使用CRISPR/Cas9系统完成基因组编辑是高效而且具特异性的。他说:“我们的问题在于商用的Cas9蛋白前期准备,这对它们有毒性。GeneArt Platinum Cas9确实成为了金标准蛋白,我们获得了用其他试剂达不到的效果。”

 

一管25?g的GeneArt Platinum Cas9 Nuclease售价US$150,客户可以咨询Thermo的专家,进行实验设计和整个实验步骤的咨询。

 

评价员观点:

 

WILEY评价:这个试剂无需Cas9载体表达,至少能在特定的细胞株中极大的加快传统CRISPR-Cas9的工作流程。

 

来源:永诺生物


标签:   生命科学 微流控
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