2018世界十大生物科学创新

生物学发生在许多层面上，从生态系统到电子传递链。这些工具可能有助于激发生命各个层面的发现。随着大数据、全基因组测序和其他广泛调查的成熟，有时会让人觉得研究人员把微观的换成了宏观的。但2018年的十大创新大赛讲述了一个不同的故事：单个细胞的创新。

2018年已成过去时，这一年有许多令人兴奋的实验室工具，这些工具旨在撬开单个细胞，获取其DNA、RNA或蛋白质中的数据。在单个细胞水平上捕捉这些大量生物信息的优势在于，可以揭示出在汇集的样本中无法检测到的组织内部的多样性。例如，在癌症研究中，这种分析可以让科学家通过对数千个快速分裂的细胞进行取样，观察它们之间的差异，从而更准确地表征肿瘤的异质性。

1.Cyto-Mine

大约五年前，Sphere Fluidics公司的员工询问了35家生物制药公司，这家总部位于英国的生物技术公司的单细胞分析技术是否有用。这些反应表明有必要，特别是在研究抗体和细胞的公司中。从这些调研中发展出来的是Cyto-Mine，一种紧凑的台式设备，取代了通常由多种仪器完成的工作。这实际上是世界上第一个集成设备，专门设计自动执行抗体发现和检测的所有步骤。

Cyto-Mine通过将多达20万个细胞单独分选成它们自己的小液滴来筛选样本，评估它们所需的特性，如某种特定蛋白质或抗原特异性的高产量，然后将好的细胞分配到微滴板上，用户可以从中培育克隆。

杰克逊制药公司的科学家汤姆·凯利是Cyto-Mine早期的测试员，现在使用最终版本(定价45万美元)来选择生产大量生物药物的细胞系。他说，最大的优势是证明了Cyto-Mine提供的克隆性，证实只有一个经过验证的细胞。他以前的协议包括一个额外的步骤，使处理时间增加了一倍。他说：“在旧工艺中，从转染到冷冻小瓶需要三个月的时间，而现在需要六个星期。”

2.精密基因组学平台

Tapestri精密基因组学平台于2017年12月推出，是首个用于单细胞DNA测序样品制备的高通量仪器。通过基于水滴的微流体技术，Tapestri首先将细胞暴露于蛋白酶中，蛋白酶裂解细胞核，将DNA从浓缩的染色质形成中释放出来。然后加热使蛋白酶变性，然后系统加入试剂放大感兴趣的基因位点，并根据它们的细胞来源对其进行条码，准备将样本输入下一代测序器。

MD安德森癌症中心的遗传学家尼克·纳文说，他的团队已经定期使用该仪器一年左右的时间来检测在单个乳腺癌细胞中发现的突变组合。这能让你真正了解肿瘤的基因亚结构，还能重建突变的进化过程。

Tapestri可以同时准备多达10,000个细胞，相比之下，将细胞分选到一个培养皿的孔中只有384个细胞。此外，纳文说，这种仪器只需要大约一天的时间就可以准备一个样品，而使用平板法则需要5到7天。

Tapestri的成本为79,500美元，每个样品的耗材约为795美元至1,300美元。Mission Bio的首席科学官丹尼斯·伊斯特本表示，Mission Bio提供了几个针对与各种癌症相关的基因位点的固定面板，可以针对多达300个基因位点开发定制面板，未来可能还会有更多，从而将Tapestri的应用扩展到肿瘤学之外。

3.流动性一号

流动性一号的许多潜在应用之一是常规生物物理学，蛋白质分析仪器的制造商流体分析公司的研发主管肖恩·尼什说。尼什设想实验室经常使用这种仪器来进行质量控制，当含有蛋白质的溶液第一次进行测试，当它们从冰箱中出来时再次进行测试，以确保其含量没有下降。用户使用移液管移动5μL样本到一次性微流控芯片上，然后将其插入到台式流动性工具中。样品与缓冲液平行通过一个腔室，蛋白质扩散到缓冲液中。该仪器测量这种扩散速度，以计算蛋白质的平均大小，还测量样品浓度。

德国杜塞尔多夫大学研究疾病蛋白质聚集的亚历克斯·布尔表示，他发现一种流动性可以用来分析患者的尿液样本。他解释说，要准确地估计浓度是非常困难的，所以我们使用流动性来确定浓度，我们还跟踪蛋白质的聚集的平衡。布尔说，与测定光散射相比，流动性一号的优势在于，光散射的结果由溶液中的任何团聚体决定，而流动性一号提供的是目前蛋白质的真实平均大小值。尼什补充说，该仪器还可以揭示蛋白质是相互结合的，还是与DNA、脂质或纳米颗粒结合的。

流动性一号的成本为3万美元，外加芯片和试剂，每次运行的成本约为5美元。

4.铬免疫序列分析解决方案

通过铬免疫系统图谱分析解决方案，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，并识别出对免疫系统激活作出反应的特定细胞类型，无论是由细菌、病毒甚至癌症触发的。这项10倍基因组学技术于2018年3月上市，它以单细胞测序技术为基础，允许研究人员区分样本中的每一个T细胞和B细胞，以及每个细胞上y形受体的遗传序列。

我认为人们没有意识到，他们可以从这种产品中获得所有这些信息，10X公司的单细胞基因组学战略营销总监乔凡娜·普劳特说。

通过DNA条形码技术，该工具现在可以确定哪种类型的T细胞或B细胞对特定抗原有反应。普劳特解释说，现在你可以观察这些细胞在应对某种病毒或疾病时的克隆扩展。条码技术还将基因表达与细胞表面蛋白表达数据相结合，改善了细胞表型分析，因为抗体与条码而不是流式细胞术中使用的荧光标记相连接。由于条码的多样性，研究人员可以同时检测到更多的细胞表面标记，为人类和小鼠的免疫系统提供了前所未有的视角。每个样品的筛选成本为1500美元。

在纪念斯隆·凯特琳癌症中心克里斯·克里巴诺夫的实验室里，他和同事们正在寻找一种新型T细胞，用于治疗实体恶性肿瘤。10X平台的独特之处在于它能够结合T细胞受体与基因表达数据在单细胞水平以用户友好的方式。斯米塔·詹德兰说，高级研究科学家在实验室里，我最兴奋转化应用识别和瞄准独特的T细胞能够调节肿瘤的反应。

用这种方法分析T细胞和B细胞之间的受体序列提供了一个信息数据集，可以帮助理解任何排序或转导策略之前的初始启动种群，并有助于定义此类生物细胞的属性。

5.Omnitrap

对于希望用串联质谱分析大分子的蛋白质科学家来说，Omnitrap装置提供了新的功能。该平台是一个射频离子诱捕器，即使是在高分子量的情况下也可以对蛋白质进行处理。卡罗林斯卡研究所的化学家祖巴列夫是Omnitrap的第一个顾客，他说Omnitrap可以让人通过其他方式获取几乎不可能获得的独特信息。

祖巴列夫领导的团队将该设备作为一个项目的一部分，来执行所谓的自上而下的抗体测序。自上而下的分析保持大的蛋白质结构完整，而不是像其他分析方法所要求的那样消化它们。

据雅典Fasmatech公司的创始人兼首席科学官迪米特里斯说，这种产品的主要优势之一就是能够以多种方式分解蛋白质。这使得用户可以在不同的环境下观察蛋白质的特性，并使用一种设备。这真的很独特。Omnitrap是热科学Q型活性质谱计的附加装置，其成本250000欧元(288000美元)。

6.AcouWash

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“声速”。同年12月，他们推出了一款名为AcouSort的产品，旨在使这项技术商业化。2018年早些时候，该公司正式推出了第二款产品AcouWash，它可以将细胞从一种介质清洗到另一种介质，使细胞样品富集或浓缩，并根据细胞大小进行分离，所有这些都使用超声波。

在价值5万美元的台式电脑上，首席工程师马林森解释说，声波将粒子或一定大小的细胞推入样品通过的微通道的中心。研究人员可以根据他们想要分离的细胞的大小来调整声波的振幅，更大的细胞实际上需要更少的力来移动，因为声波可以推动更多的表面积。然后，只需通过将感兴趣的单元格与背景媒体分离的分离器来引导流即可。

隆德大学约翰·雅各布森分子神经遗传学实验室的博士后卡罗丽娜说，AcouWash能最大限度地减少细胞损失，重复清洗和离心处理可使细胞损失最小化，这在处理含有珍贵细胞的样品时具有很大优势。罗丽娜的研究包括直接将亨廷顿舞蹈症患者和健康对照组的成纤维细胞重新编成神经元。到目前为止，她已经对AcouWash系统进行了两次测试。她说，与传统的六步离心分离法相比，该系统产生了大约10%的细胞。

7.Dharmacon编辑R荧光Cas9核糖核酸

为了使用CRISPR-Cas9基因编辑工具，研究人员通常会将编码该工具各种成分的DNA插入他们想要编辑的细胞中。但是一旦这些外来DNA被整合到宿主细胞中，就没有简单的方法去除它们。

具体来说，研究人员可能担心编码Cas9核酸酶的DNA残留。总部位于英国的基因编辑公司Horizon Discovery的产品经理阿曼达·哈斯表示，通常情况下，在编辑完成很久之后，细胞中仍会有Cas9表达。这意味着这种酶仍然可以与宿主DNA相互作用，可能会导至非目标位点的基因组出现不必要的切割。

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酶提供核糖核酸转录本而不是DNA来解决这一问题。哈斯指出，目标细胞合成这种蛋白质后不久，核糖核酸就会自然降解。因此，虽然你所做的编辑是永久性的，但你不会有编辑系统的残余存在。

Dharmacon Edit-R荧光Cas9核酸酶mRNA从Horizon Discovery以400美元的价格出售一管20微克的现成管，哈斯说，这足够做几个实验的核糖核酸。Horizon Discovery无法找到对该产品进行评论的用户。

8.MAD7

CRISPR基因编辑技术是生物医学领域的一种革命性工具。但是，将使用CRISPR-Cas9或CRISPR-Cpf1进行研究的产品商业化，对于许多学术机构和小型初创企业来说，可能会变得过于昂贵，因为使用这些核酸酶会带来高昂的许可费和专利使用费。

因此，在科罗拉多州创业公司Inscripta的研究人员发现了一种名为MADzymes的新核苷酸后，他们做出了一个集体决定。Inscripta的首席执行官凯文·尼斯解释说：“我们说过，这是一项非常重要的技术，不能让它一直存在下去。我们将把这种酶释放出来，获得真正的自由。”

截至2017年12月，该公司已将其获得专利的DNA切割酶MAD7的全部序列在网上提供给所有研究和开发用途，无论是商业用途还是非商业用途，无论是国内用途还是国际用途。研究人员希望将这种酶商业化。

Horizon Discovery的产品经理路易丝·巴斯金是一个测试MAD7的团队的成员，目前正在用它来编辑哺乳动物细胞。“我们所有的数据都表明，它和Cas9一样好，她说，因为MAD7与Cas9有不同的识别区域，它打开了基因组空间，我们可以在其中进行切割。

2017年，这个序列被下载了1000多次。尼斯说，Inscripta正在探索与潜在经销商合作的选择，以便研究人员可以直接购买DNA或蛋白质产品。

9.Tycho NT.6

Tycho NT.6的开发人员想要让实验室里的蛋白质样品的质量控制变得轻而易举。NanoTemper科技公司联合首席执行长菲利普·巴斯克说，使用更老的方法，研究人员会就是否应该测试这种蛋白质进行长时间的讨论。现在，他们可以这么做了。挤兑第谷需要三分钟，需要10μL样本。该仪器以30 C/min的速度加热样品，同时测量蛋白质的色氨酸和酪氨酸残基的荧光，并将其与该样品的参考值进行比较。从该参考值的差异表明，该蛋白可能不再按其应有的方式折叠，这将影响其活性，或样品受到污染或降解。

加布里埃尔·比拉尼是波士顿贝斯以色列女执事医疗中心X射线晶体学核心的负责人。他说，我们已经能够利用第谷来筛选条件，以识别那些将诱导蛋白质折叠的条件，否则，找到这些条件可能是一个困难的反复试验过程。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，这种仪器比运行凝胶要快。

一台台式第谷仪器(Tycho)的成本为3.75万美元，它的耗材可以完成600个分析点。

10.BD AbSeq化验

这项技术使研究人员能够同时分析成千上万个细胞中的RNA和蛋白质的表达。2018年7月上市的BD生命科学AbSeq分析用于BD Rhapsody单细胞分析系统，该系统将抗体与寡核苷酸配对，以估计高通量测序运行中细胞中蛋白质的丰度。这种抗体寡核苷酸偶联物以单瓶基质管的形式出售，易于在2微升的标准样品测试中进行缩放，从而提供与流式细胞仪数据类似的蛋白质表达结果。

BD公司负责该产品营销的副总裁史蒂夫·库利施指出，具体来说，研究人员可以开始弄清楚癌症患者的肿瘤如何与他们的免疫系统相互作用，这些数据有可能提供更强大、更个性化的癌症治疗。目前，这项检测扫描了100多种不同的人体抗体寡核苷酸组合，还有更多的正在开发中，这将有助于研究人员在无需进行一项以上实验的情况下，梳理出复杂疾病的复杂之处。

库利施说，25次测试的成本为375美元，整个装置的运行成本为1万至5万美元，根据实验设计的不同，每个电池可以分解为10至18美分。