2013年度突破性生物技术盘点
2014/01/30
近些年来,以基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等为代表的现代生物技术发展迅猛,并日益影响和改变着人们的生产和生活方式。这里就为您呈现本年度那些有突破性的生物技术,以及这些技术的未来走向预测。


近些年来,以基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等为代表的现代生物技术发展迅猛,并日益影响和改变着人们的生产和生活方式。这里就为您呈现本年度那些有突破性的生物技术,以及这些技术的未来走向预测。

基因组编辑技术CRISPR


一种可利用导向RNA分子靶向裂解DNA的细菌酶,一直以来被用作为一种可编程工具,位点特异性修改从细菌、人类细胞到斑马鱼等生物及细胞的基因组。CRISPR系统是细菌RNA 干扰系统,研究发现其在霍乱弧菌中防御噬菌体免疫系统带有噬菌体基因组。最终发现噬菌体编码自身的CRISPR/Cas 系统,进而逃避宿主的天然免疫。

今年的1月,有四个课题小组都报道称他们对这种细菌免疫机制进行了成功的应用尝试——对人类细胞里的特定基因进行了定向破坏。科学家们将这种技术称作 CRISPR 技术。在随后的8个月里,更多的实验室也开始使用这种技术,对人类细胞、小鼠、大鼠、斑马鱼、细菌、果蝇、酵母细胞、线虫和多种农作物进行了大量的试验,成功地对基因进行了定向缺失、插入、活化或抑制等遗传改造操作,从各个方面证明了 CRISPR 技术的潜在应用价值。虽然生物学家们最近也开发出了几种新方法,可以对基因进行更加精确的操作,但是美国哈佛大学(Harvard University)的George Church 认为, CRISPR 技术的高效率和易用性还是其他技术无法匹敌的。

科学家们可以使用 CRISPR 技术,用比以往快得多的速度构建人类疾病的小鼠动物模型,也能以更快的速度对基因进行研究,而且还可以一次对细胞内的多个基因进行遗传学改造,研究这些基因之间的相互作用。虽然伴随着近年来逐渐流行起来的的 CRISPR 技术狂潮,也慢慢暴露出了这项技术的一些不足和限制,使这股热潮进一步蔓延的速度有所减退,但是Church和其它的 CRISPR 技术先驱们还是坚信,这项技术有着美好的前景,他们还组建了公司,希望能够利用 CRISPR 技术治疗各种遗传性疾病。

纳米成像技术

今年3月的《科学通报》中,汇集了来自华中科技大学,上海交通大学,东南大学,华南师范大学等多处研究机构,关于纳米生物成像的最新进展,包括涉及基于金纳米粒子的荧光分子信标,靶向多肽连接的量子点,水相合成量子点常用的方法, 以及其在细胞成像及活体成像中的应用等等各个方面的内容,从不同的侧面反映了当前纳米生物成像的某些国际、国内动态,精彩纷呈。

纳米生物成像技术将纳米生物技术引入到各种成像方法中以提高成像的质量, 同时纳米生物成像的需求也不断促进着纳米生物技术的发展。目前基于纳米材料构建的分子影像探针, 已在生命科学基础研究和临床医学应用中受到越来越多的关注, 特别是在实时、动态、高灵敏成像方面具有广阔前景。

生物成像领域已经可以采用各种显微技术和共聚焦等技术了,这提高了图像的精确度,但是要观察的深层组织活动,因此在一些活体成像,组织深部观察等方面还需要更多的技术进步。Cell杂志以“Review Focus: Imaging”为中心,介绍了生物成像研究方面的最新进展,其中特别提及了活体荧光显微技术今年来的新成果,认为这项技术崭露曙光,在细胞生物学,神经科学,肿瘤生物学等多方面发挥作用。

3D打印技术


3D生物打印技术可让科研人员另辟途径地制造人体替换器官,虽然将其应用于医疗服务领域还需很长一段时间,但是科学家相信随着3D生物打印技术以及再生医学的发展进步,将最终实现人体器官的个性化定制。

3D打印技术的原理与普通打印机的基本相同,将装有液体或细胞等“生物材料”,与电脑连接后,通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。

今年8月,杭州电子科技大学生物工程专业的徐铭恩教授带领团队,研发出了国内首台生物3D打印机,能够直接打印出人体活细胞。利用这些细胞的基础,打印机还可以打印诸如骨骼修复器件、人工器官等生物材料。这些从打印机里诞生的材料,将来可以帮助人们进行组织修复,脏器移植,美容整形。

这台生物3D打印机,除了可以打印多种生物材料,还能打印人体活细胞,从而直接打印出“活”的组织。打印出来的脏器,如骨骼、血管等,最珍贵的“品质”是要能和人类“相生相依”。首先要让人体接纳它们,然后实现相应的组织和器官功能。徐铭恩表示,部分打印出来的组织融合试验,已经在老鼠身上获得成功。“但是,目前,我们的打印机,打印出来的单元器官,‘块头’要比人体真正的器官大5倍,并且能打印的活细胞种类还不多,包括后期要怎样使得各种活细胞自然组合、共同生成人工脏器,我们可能还需要至少10年的时间。”

宏基因组学测序技术

长期以来,对微生物(microorganism)功能开展的研究主要依赖的都是以在实验室里培养的单一物种(individual specie)为对象获得的研究成果。大约在10年前,科研人员们开始获得自然环境中存在的、非人工培养的细菌或古细菌(archaea)的基因组草图,这些基因组数据为科研人员们了解这些微生物在自然环境中的作用打开了一条新的渠道。这就是所谓的宏基因组学(metagenomics)技术,该技术的发展现在已经可以做到从多个不同的环境样本中快速、准确地获得环境微生物的基因组序列。这些成果有可能会彻底颠覆我们对生命之树结构,以及各个物种代谢能力的理解和认识。生物信息学的飞速发展也提供了另外一种便利,由于能够全面了解遗传信息和数据,所以能够快速地为这些宏基因组数据在医学诊断、农业、法医以及生物技术等应用领域里找到合适的位置和用途。

宏基因组学技术是一种不需要进行微生物培养的微生物研究方法,可以直接对取自环境里的微生物样品进行分析和研究。整个流程是先将样品里的DNA提取出来,进行测序,然后用计算机软件对测序结果进行分析。这种方法至少解决了两个非常重要的问题。首先,该技术能够让我们对大自然里99%的微生物(这些都还是没能在实验室里成功培养的微生物)进行分析和研究。其次,可以对整个大环境里的微生物进行研究。

随着测序技术不断发展,测序的速度、精度、信息丰富程度都有了大幅度的提升,高通量的宏基因组学技术也逐渐具备了给要求更快、更准确、特异性更高的整个测序诊断领域带来革命性改变的能力。更重要的是,如果掌握了生命之树中很多之前还没有被发现的基因组信息,将极大地丰富我们对生命和进化历程的认识和了解。

产前DNA检测技术


2013年1月7日,全球销量最大的DNA测序仪生产商、美国Illumina公司以3.5亿美元收购了Verinata公司。吸引Illumina的是Verinata的先进技术:对未出生胎儿进行DNA测序。

Verinata是美国快速发展的产前DNA检测市场中使用Illumina测序仪的四家公司之一。该公司采用的新检测技术是通过一小管母亲血液中痕量的胎儿DNA而检测唐氏综合症。在以前,唐氏综合症检测意味着要从胎盘或羊水中获取胎儿的细胞,这些方式都具有一定的流产风险。

这种无创筛选技术更加安全方便,使得产前DNA检测很容易被接受,因此也成为Illumina测序仪在医学上的一个重要的新应用,而在此之前,测序仪主要用于实验室研究。Illumina公司总裁杰伊•弗拉特利预计在美国每年将有200万女性进行这种检测,占了所有孕妇数量的一半。

唐氏筛查可能还仅仅是产前DNA测序的开始。一些和Verinata一样推出唐氏综合症检测的实验室和公司还宣称他们已经掌握了如何从母亲的血液中获取更多信息,包括胎儿全基因组序列。这是技术上的突破,可能也是商业的突破。

PCI意识测量技术

对于大多数人而言,意识和无意识状态很容易区分,但对一些脑损伤患者来说,两者之间就很难区分了。今年8月, 神经学家们设计出一种脑活动单一度量标准,将有助于区分不同的意识状态,并指导脑损伤患者的医学治疗。目前,相关研究报告发表于Science Translational Medicine期刊上。

一种理论认为,在有意识的大脑中,每个不同的神经元群都在起着其自身的特定的计算作用,但它们也仍然能够与其他神经元群进行沟通。换言之,它们会互动并计算。当大脑失去这种复杂性时,神经元或者会变得更为均一,或者它们的沟通能力受到损害。意大利米兰大学的教授Marcello Massimini博士带领的研究团队以此为线索设计出一种脑活动单一度量标准,将有助于区分不同的意识状态。

在最新的研究中,Massimini研究小组提出一种新方法来检测大脑复杂性,即有多少信息流动正在大脑中发生。该方法被称作扰动复杂性指数(PCI)。在整个过程中,研究人员使用一个强力的磁刺激对整个大脑进行一次轻微的“震动”,并记录神经元的反应。PCI可以区别以上所有的状态。这种指数是基于对EEG复杂的数学分析,从0至1评判人们的意识性水平。研究中完全清醒的病人的PCI为0.6以上,处于轻度睡眠的病人PCI约为0.4,而处于深度睡眠的病人的PCI大约为0.2。被麻醉的被试者PCI低至0.12,这意味着他们处于无意识的深度状态。麻醉强度越大,PCI值越低。

Massimini认为,基于对大脑复杂性产生的效应,PCI技术无需患者从事任何有关感觉、运动或认知的任务,可以客观的同时从数量角度评价药物或者大脑刺激疗程的功效。因此,该技术能够帮助内科医生检测治疗的效果。

基因芯片技术


目前大部分基因芯片的应用目前仍仅限于科研水平,这项技术似乎已转向应用于个体化医疗的临床应用。事实上,一些产品已经能用于医学诊断,并且有更多的产品已经在研发当中。未来,这一技术将很可能成为科研和临床应用中一项很有用的工具。

通过现有的技术,人们可以轻而易举地从基因组中收集信息,而棘手的方面在于如何解析这些信息的临床相关性。华盛顿大学圣路易斯医学院基因组技术促进中心联合主任Seth Crosby发现,随着时间的推移,临床医生可能会开始掌握哪些基因组的变化会影响病人的健康,而哪些是无害的。他说:“一旦这些相关和不相关基因的列表范围逐渐缩小,而我们也领会到哪些多态性是重要的,这就可以用来打造非常廉价的芯片,有助于疾病的检测。”

除了经济上的优势以外,基因芯片也提供了可掌控的数据数量。就像Crosby所解释的,“大部分基因组是没有变异的”。因此,通过基因芯片,“我们可以只收集我们所需要的数据。”

为了将基因芯片应用于临床诊疗,医生们需要那些经过认可的工具。Pathwork诊断公司(加州雷德伍德市)的Pathwork组织起源检测中使用的经FDA认证的诊断工具,是利用昂飞芯片去判定病人癌症起始的组织类型,如乳腺或结肠。

除了可以用于研究个体的遗传特征外,基因芯片还可以用于探索不同群体和培养物间的遗传差异。例如,加州圣地亚哥Illumina公司研发出了名为Infinium HumanCore BeadChip的基因芯片家族,能够提供群体水平或生物样本库研究的解决方案。这些基因芯片能够容纳大量的样本,让科研人员可以实现强大的统计分析,这些分析能够揭示健康和疾病群体间遗传变异分布的差异。为了赶上技术的改变,一些公司开始提供服务,未来 基因芯片将会继续服务于基础研究,并提供基因组学相关的临床工具。最终,基因芯片将会在其功效发挥最出众的领域继续前进。

快速癌症检测技术

今年11月17日,清华大学生命学院罗永章教授研究组在国际上首次发现Hsp90α(热休克蛋白90α)为一个全新的肿瘤标志物。患者只需提供一些血液,通过试剂盒检测,即可用于病情监测和治疗效果的评价,为指导肿瘤个体化治疗提供辅助依据。自主研发的Hsp90α定量检测试剂盒已通过临床试验验证,获得了国家第三类(最高类别)医疗器械证书,并通过了欧盟认证,从此获准进入中国和欧盟市场。

这是人Hsp90α被发现24年来,全球首个将其用于临床的产品,对于提高肿瘤患者的病情监测和疗效评价水平、实现肿瘤个体化治疗具有重要推动作用。2011年,美国国家癌症研究院公布了全球31个被明确用于癌症检测的产品,其中以血液为检测对象的有17个,均由外国科学家发现和定义,至今尚无中国自主发现的肿瘤标志物在临床中被广泛应用和认可。罗永章课题组在重大科学发现的基础上,与普罗吉生物科技发展有限公司合作,攻克了一系列技术难题,成功研发出了性能稳定的“Hsp90α定量检测试剂盒”,并通过2347例临床试验,成功证明Hsp90α是肺癌相关肿瘤标志物,可用于患者病情监测和疗效评价。同时,Hsp90α肿瘤标志物具有广谱特性,其用于肝癌、乳腺癌、结直肠癌、前列腺癌、胰腺癌、胃癌等其他多个瘤种的临床试验也将在近期完成。

罗永章介绍说,与其他肿瘤检测手段相比,肿瘤标志物更方便快捷,成本也大大降低。患者只需取一滴血液,通过“Hsp90α定量检测试剂盒”检测血浆中Hsp90α的含量,即可用于病情监测和治疗效果的评价,为指导肿瘤个体化治疗提供辅助依据。

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