《科学家》杂志评选出2018年十大创新产品

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《科学家》杂志评选出2018年十大创新产品
" U/ e9 _1 V4 s* i5 h' n) Z3 T来源：本站原创 2018-12-29 21:308 P8 X8 [  ]& M( \2 l0 q0 |
2018年12月29日/生物谷BIOON/---随着大数据和全基因组测序的发展成熟和大量研究的广泛开展，有时不免让人觉得研究人员将他们的显微镜（microscope）更换为宏观镜（macroscope）。但是，《科学家》杂志举办的2018年十大创新竞赛讲述了一个不同的故事：单个细胞。' a( f( G' c0 I/ y2 Z+ _! E" c0 v
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在《科学家》杂志的独立评审团评选出的2018年十大创新产品中，它们中的大多数是令人激动人心的实验室工具，可用于窥探单个细胞，从而获取它们的DNA、RNA和/或蛋白中包含的数据。在单细胞水平上捕获这些类型的生物信息的优势可揭示出混合样品（pooled sample）中通常无法检测到的组织内的细胞类型。比如，这样的分析可能允许科学家们通过在个体基础上采集上千个快速分裂的细胞来更准确地描述肿瘤异质性，从而了解它们彼此之间的差别。
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/ `7 n5 ^7 ^4 }+ k此外，在2018年的获奖清单上展示的是能够推进经过验证的真实实验室技术（比如质谱分析和基于CRISPR的基因组编辑）的产品。《科学家》杂志很高兴展示2018年十大创新比赛的获奖者，并且期待看到这些获奖产品的采用所带来的新发现。这些工具可能有助于促进生命各个层面（从生态系统到电子传递链）的发现。
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) V' W3 l; N3 V' X6 D' p2 {" B  [1. Sphere Fluidics公司开发的Cyto-Mine台式设备& C4 {5 I* @+ L  t; D  O4 [" c5 e3 b
大约五年前，总部位于英国的Sphere Fluidics公司的员工询问了35家生物制药公司它开发的单细胞分析技术是否有用。获得的答复表明有这方面的需求，特别是在从事抗体和细胞系研究的公司当中。Cyto-Mine是一种紧凑的台式设备，可完成通常由多种仪器完成的任务。 Sphere Fluidics公司销售和市场总监Rob Marchmont说道，“它基本上是世界上首台专门设计用于自动化完成抗体发现和细胞系开发工作流程中的所有步骤的集成设备。”该公司在今年夏天开始销售Cyto-Mine台式设备。
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) |  X" S( M( l8 i- a3 {Cyto-Mine可筛选含有多达20万个细胞的样品，将样品中的每个细胞分选到它们各自的微小液滴中，评估它们的特定性质（比如较高的特定蛋白产量，或者抗原特异性），随后将性能好的细胞分配到微量滴定板中，这样用户就能够培养细胞克隆。" \# E# D+ A6 V, ]6 ^

9 U) ]# ?4 D* D0 f. z6 I8 m* H: ?作为杨森制药公司（Janssen Pharmaceuticals）的一名科学家，Tom Kelly是Cyto-Mine的一名早期测试人员，如今使用它的最终版本（价格为45万美元）来选择产生大量生物药物的细胞系。他说，它的最大优势在于Cyto-Mine提供的克隆性证据，这就可证实微量滴定板中的每个孔仅有一个经过验证的细胞。他之前的实验流程包括一个额外的步骤，这会让处理时间翻倍。他说，“在这个原有的过程中从转染到冻存小瓶所需的时间是三个月，如今使用Cyto-Mine进行处理所需的时间是六周。”
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2. Mission Bio公司开发的Tapestri精准基因组学平台
; ]0 c3 z5 z9 f% ]0 }; p, N1 o3 wTapestri精准基因组学平台于2017年12月推出，是第一台制备用于单细胞DNA测序的样品的高通量仪器。通过使用基于液滴的微流体技术，Tapestri首先将细胞暴露于蛋白酶，从而裂解细胞核并让DNA从它的经浓缩后形成的染色质中释放出来。然后，加热让蛋白酶变性，接着往这种系统中加入试剂以便扩增感兴趣的基因座，并根据它们的细胞起源对它们进行条形码标记，这样就可准备将制备的样品送入下一代测序仪中。
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美国MD安德森癌症中心遗传学家Nick Navin说，“这是令人激动人心的。它允许人们真正地理解肿瘤的遗传亚结构，以及重建突变的进化过程。”Navin及其团队已定期使用这台仪器大约一年的时间来检测在单个乳腺癌细胞中发现的突变组合。' `4 U. X$ u* y- |" W
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Tapestri能够同时制备多达1万个细胞，相比之下，将细胞分选到微量滴定板的孔中仅能制备384个细胞。此外，Navin说，这台仪器仅需大约一天的时间来准备样品，而使用微量滴定板方法则需要五到七天的时间。  ^$ u) }; ?  G8 C8 X) n

) p1 u0 t2 K  v) |! b+ K# {" n: ?Tapestri的售价为7.95万美元，检测每个样品所需的耗材大约为795美元至1300美元。 Mission Bio 公司首席科学官Dennis Eastburn说道，该公司提供多种固定面板（fixed panel），用于监测与各种癌症相关的靶基因座，并可开发靶向多达300个感兴趣的基因座的定制面板（customized panel），而且未来可能提供更多的定制面板，从而将Tapestri的应用扩展到肿瘤学之外的领域。
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( ^* e9 q3 A; w4 [  Q$ A3. Fluidic Analytics公司开发的Fluidity One仪器
7 M/ w, F1 s4 ^. s作为制造蛋白分析仪器的Fluidic Analytics公司的研发主任，Sean Devenish说，Fluidity One仪器的许多潜在应用之一是“常规的生物物理学分析”。Devenis畅想实验室经常使用这种仪器进行质量控制：当含蛋白的溶液第一次到达实验室和当将它们从从冷冻机中取出时，对它们进行测试，从而确保溶液中的蛋白内含物没有发生降解。! A" i. |! t* j) M8 a
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& g3 Y# R) s6 K" n8 h2 n7 O' e+ j用户将5μL样品吸取到一次性微流体芯片上，然后将它插入到Fluidity One台式仪器中。样品进入一个与流动的缓冲液平行的腔室，其中蛋白在缓冲液中扩散。这种仪器测量这种扩散的速率，以便计算这些蛋白的平均大小；它还测量这些蛋白在样品中的浓度。
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! S: X) e4 X$ Q% H在德国杜塞尔多夫大学研究疾病中蛋白聚集的AlexBüll说，他发现Fluidity One可用于分析来自患者的尿液样品。他解释道，“实际上估算这些蛋白的浓度是非常困难的，因此我们使用Fluidity One来测定这些浓度，我们也追踪这些蛋白的聚集和二聚体/单体平衡。”Büll 说，Fluidity One测量光散射（一种测定溶液中蛋白大小的标准技术）的一个优点是光散射结果由溶液中的任何蛋白聚集物控制，而Fluidity One提供样品中存在的蛋白的“真实平均”大小。Devenish补充道，这种仪器也能够揭示出这些蛋白是彼此结合还是结合到DNA、脂质或纳米颗粒上。; r5 u0 [7 r0 G2 A7 u
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Fluidity One的售价为3万美元，此外，每次运行的芯片和试剂成本大约为5美元。
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5 P3 Y2 |" j+ u  t( O4. 针对10X Genomics技术提供的Chromium免疫库分析解决方案
1 l. Y$ d" O6 `0 w8 n利用Chromium免疫库分析解决方案（Chromium Immune Repertoire Profiling Solution），研究人员能够研究身体对不同类型感染做出的适应性免疫反应，并确定对免疫系统激活作出反应的特定细胞类型，无论这种免疫系统激活是由细菌、病毒还是癌症触发的。今年3月，10X Genomics技术进行商业化发布，它是基于单细胞测序的强大功能开发出来的，允许研究人员区分样品中的每个T细胞和B细胞，以及每个细胞上的Y形受体的基因序列。$ |7 o0 J2 o! b. o% j- ]1 A4 O

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! D; |" `$ C) {0 g- ]4 s利用DNA条形码技术，这种工具如今能够确定哪种类型的T细胞或B细胞对特定抗原作出反应。这种条形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，这是因为抗体与条形码相连，而不是与流式细胞仪分析中使用的荧光标记相连。鉴于这些条形码是多样化的，研究人员能够同时检测更多的细胞表面标志物，从而为研究人类和小鼠的免疫系统提供前所未有的视角。筛选每个样品的费用为1500美元。- g$ l- ]* z- E

( G) m1 {4 l+ _5 o- K5. Fasmatech公司开发的Omnitrap设备* [3 {/ j6 J0 @1 @9 u
对于想要利用串联质谱分析大分子的蛋白科学家来说，Omnitrap设备提供了新的功能。这种平台是一种射频离子阱，即便蛋白具有较高的分子量，它也能够处理这些蛋白---原有的捕获技术不能够做到这一点---并获得关于蛋白序列、结构和分子相互作用的信息。作为Omnitrap设备的首个客户，瑞典卡罗林斯卡研究所化学家Roman Zubarev说道，“Omnitrap允许人们获得通过其他方式不可能或者几乎不可能获得的独特信息。”
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) t; n6 J- ~7 b2 l* y作为一个项目的一部分，Zubarev领导的一个团队使用这种设备来执行所谓的自上而下的抗体测序。这种自上而下的分析让较大的蛋白保持结构完整，而不是像其他的分析方法那样对它们进行消化。Zubarev说，Omnitrap对这个项目是至关重要的。
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作为总部位于希腊雅典的Fasmatech公司的创始人兼首席科学官，Dimitris Papanastasiou说，这种设备产品的主要优势之一就是能够以多种方式让蛋白形成片段。这允许用户在不同情形下研究蛋白的特征，并且使用这种设备做到这一点。他说，“这真地是非常独特的。”$ I1 }/ |' r4 [2 Q6 n
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Omnitrap设备是赛默飞世尔科技公司（Thermo Scientific）的Q Exactive质谱仪的附加产品，售价为25万欧元（28.8万美元）。
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6.AcouSort公司开发的AcouWash设备9 G& j! X: Y' b6 R) N) z3 L: z0 Q5 K
2010年，瑞典隆德大学的研究人员开发出使用声音来让细胞迁移的技术，这种技术被称为声泳（acoustophoresis）。当年12月，他们成立了AcouSort公司，并将该技术商业化。今年早些时候，该公司正式推出它的第二款产品AcouWash台式设备（售价为5万美元），它能够将细胞从一种培养基冲洗到另一种培养基，富集或浓缩细胞样品，并根据大小分离细胞，所有这一切都是利用超声波实现的。# M" i* N: e4 Q. t( K8 K

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! B- d) S1 g+ u; h) v0 S/ RAcouSort公司首席工程师Jay Mallinson解释道，声波“将一定大小的颗粒或细胞推入到一个可让样品流过的微通道的中心。研究人员能够根据他们试图分离的细胞的大小来调整声波的振幅---较大的细胞实际上需要较少的力来移动，这是因为它们具有更大的表面区域供声波推动。接着，仅需引导液体通过一个分离器，就可将细胞与培养基分离开来。
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3 G2 b$ C/ @; k, q1 N- H作为隆德大学的Johan Jakobsson分子神经遗传学实验室的一名博士后研究员，Karolina Pircs说，AcouWash设备可以最大限度地减少细胞损失，然而，在之前的需要反复清洗和离心的方法中，这种细胞损失就会发生，因此这对研究含有少量细胞的样品来说是一个很大的优势。 Pircs的研究涉及将来自亨廷顿舞蹈症患者和作为对照的健康人的成纤维细胞直接重编程为神经元。她去年协助开发的一种实验程序（EMBO Mol Med, 9:1117–131）将30％～40%的成纤维细胞转化为神经元，这意味着研究人员必须将未发生转化的细胞和发生转化的细胞分离开来。她说，迄今为止已进行过两次测试的AcouWash设备分离出的细胞数量比一种传统的涉及六个离心步骤的方法多出10％。 $ A8 g! {: S: \0 m
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7. Horizon Discovery公司开发的Dharmacon Edit-R Fluorescent Cas9 Nuclease mRNA产品
6 d, y) I! y6 T为了使用基因组编辑工具CRISPR-Cas9，研究人员通常将编码这种工具中各种组分的DNA插入到他们想要编辑的细胞中。但是，一旦将这种外源DNA整合到宿主细胞中，就没有简单的方法将它移除。
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2 W  \% A& |8 G7 Q9 \5 I& n具体而言，研究人员可能担心编码Cas9核酸酶的DNA会长期存在。作为英国基因编辑公司Horizon Discovery的一名产品经理，Amanda Haas说道，“在基因编辑发生后的很长时间内，Cas9仍然会在细胞中表达。”这意味着这种酶仍然能够与宿主DNA相互作用，从而潜在地在基因组的脱靶位点上产生不想要的切割。' M& j3 d, T$ `3 ~% h. n

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* U* I9 V8 }5 e+ H; H- t! |) F" F$ j作为该公司的最新产品之一，Dharmacon Edit-R Fluorescent Cas9 Nuclease mRNA旨在使用Cas9酶的mRNA转录本而不是DNA片段来解决这个问题。在靶细胞合成这种蛋白---它发出荧光，以便进行细胞分选---后不久，Haas就注意到它的mRNA转录本发生自然降解。她解释道，“尽管进行的基因编辑是永久性的，但是仍然不想要这种编辑系统的残留物继续存在。”
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+ j) N: {* ^' T9 }, [% g6 q: VHaas说，Horizon Discovery公司提供的一管20微克的Dharmacon Edit-R Fluorescent Cas9 Nuclease mRNA的零售价格为400美元，足够进行多次实验。8 L) f' z# |& w

5 f6 f, @' F+ t% o$ y/ v5 X: a8. Inscripta公司开发的酶MAD7
- a. O! ]* Z- ^+ s. `  C% fCRISPR基因编辑技术是生物医学科学中的革命性工具。但是，从使用CRISPR-Cas9或CRISPR-Cpf1的研究中产生的商品化产品最终对许多研究人员和小型初创公司来说可能成本过高了，这是因为使用Cas9/Cpf核酸酶面临着昂贵的专利费和许可费。
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因此，在总部位于美国科罗拉多州的创业公司Inscripta的研究人员发现了一类新型的核酸酶，并将它们命名为MADzyme。Inscripta公司首席执行官Kevin Ness解释道，“我们说，这是一项非常重要的技术。我们将免费提供这类酶，真地免费提供。”: E7 a' c4 ?$ m0 d4 h

8 x. C& C2 M6 O# a' N截至2017年12月，该公司已将它的获得专利保护的DNA切割酶MAD7的整个序列公布在网上，用于所有研究和开发用途，无论是商业用途还是非商业用途，也不论是在国内还是在国外使用。想要将这种酶商业化的研究人员需要向该公司支付少量专利费。4 P+ z0 e9 T( E9 V: E$ ?5 {

$ Q4 f  j1 g9 |' U! Z& x' D" DHorizon Discovery产品经理Louise Baskin是一个测试MAD7并且当前正在利用它对哺乳动物细胞进行基因编辑的团队的一员。她说，“我们所有的数据都表明它与Cas9一样好。” Baskin补充道，鉴于MAD7与Cas9具有不同的识别区域，“它在我们能够进行切割的基因组位置方面开辟了新的空间。”- a/ P- S  i! y# v7 E# a* [5 o9 O& N

# q2 D& T% d" uNess说，人们在去年下载了MAD7的序列1000多次，而且Inscripta公司正在寻求与潜在的分销商进行合作，这样研究人员可能直接购买MAD7的DNA或蛋白产品。3 _6 J, {2 c0 J; n: r
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9.NanoTemper 技术公司开发的Tycho NT.6仪器
9 N$ ?6 [0 k7 W" [& e' ~; KTycho NT.6仪器的开发人员想要在实验室中对蛋白样品进行质量控制。NanoTemper技术公司（NanoTemper Technologies）联合首席执行官Philipp Baaske说，如果采用较老的方法，研究人员将会长期讨论“是否应当测试蛋白。如今，他们就能够做到这一点”。Tycho NT.6运行花费3分钟，并且需要10μL样品。这种仪器以30°C /分钟的速率加热样品，同时测量蛋白中的色氨酸和酪氨酸残基发出的荧光，并将它与该样品的参考值进行比较。与参考值存在差异表明这种蛋白可能不再像它应当的那样发生折叠，这会影响它的活性，或者样品发生污染或降解。
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% H+ I8 g/ q1 I: B# g  t/ }7 O作为美国贝斯以色列女执事医疗中心的X射线晶体学核心部门的负责人，Gabriel Birrane说，他的团队使用Tycho NT.6仪器来处理不溶性的细菌蛋白。他说，“我们能够利用Tycho NT.6筛选条件”，从而确定诱导这些蛋白折叠的条件。不过，Birrane补充道，找到这些条件可能是一个困难的试错过程。他的团队已意识到当他们想要验证从柱子上洗脱下来的样品是否含有他们感兴趣的蛋白时，这种仪器要比在凝胶上开展实验快得多。 Tycho NT.6台式仪器的售价为3.75万美元，它含有的耗材可分析600个分析点。/ S" j  J) _) D$ I3 E: d

* ]# _( C1 t, y4 Y- E6 H10.BD公司开发的BD AbSeq测定技术
8 @: ^0 N/ R1 M( L9 g. h这种技术能够让研究人员同时分析数千个细胞中的RNA和蛋白表达。今年7月商业化发布的BD AbSeq测定技术（BD AbSeq Assay）与该公司的BD Rhapsody单细胞分析系统配合使用，将抗体与寡核苷酸偶联在一起，通过高通量测序来估计细胞中的蛋白丰度。这些抗体-寡核苷酸偶联物作为单瓶基质管加以出售，并且容易按比例用于标准的2微升样品测试中，这种样品测试提供的蛋白表达结果类似于流式细胞仪分析中获得的数据。 - X8 g) \- n: F1 [" A

* r4 d2 q+ B; K) B这种mRNA和蛋白数据的结合使得AbSeq Assay具有强大的功能。美国加州大学圣地亚哥分校免疫学研究员John Chang在他的实验室里使用了BD AbSeq测定技术来研究免疫反应期间的淋巴细胞功能。他说，由于mRNA捕获效率低以及mRNA不稳定和周转，一些单细胞RNA测序工具无法对细胞进行全面分析。“同时分析相同的单个细胞中的RNA和蛋白的测定技术，比如BD AbSeq，能够克服这一局限，并且能够在许多生物系统中获得更准确和更全面的见解。”
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具体来说，BD公司产品营销副总裁Steve Kulisch指出，研究人员能够开始研究癌症患者中的肿瘤与他们的免疫系统如何相互作用，这些数据有潜力提供更为强大的个人化癌症治疗。当前，这种测定方法可扫描100多种不同的人类抗体-寡核苷酸组合，而且还有更多的抗体-寡核苷酸偶联物正在开发中，这应当有助于研究人员分析复杂疾病的复杂性，同时无需开展多次实验。# I/ _7 C9 L7 g

( e2 q2 g. T9 J* W' P4 b! p+ CKulisch说，根据实验设计，25次测试的成本为375美元，整个装置的售价为1万美元到5万美元，平均每个细胞的测定成本为10～18美分。（生物谷 Bioon.com）; Z3 E1 D9 @  K' x$ s* k; j
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参考资料：
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2018 Top 10 Innovations
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