就科学杂志评选出2016年生命科学领域十大技术-仪器创新成果

发布时间：2022.11.05 分类：行业动态点击：次

科学杂志评选出2016年生命科学领域十大技术/仪器创新成果科学杂志评选出2016年生命科学领域10大技术/仪器创新成果时间：2017⑴⑼ 13:16:00

岁末年初，The Scientist 杂志照例评选出了2016年生命科学领域的10大技术/仪器创新成果。其中既有足以颠覆基础生命科学研究、新药研发和临床检验的新平台，也有在既有技术基础上更进1步的重要新产品。

科学进步所依赖的因素，按前后顺序多是这几个：新技术，新发现，新思想。

悉尼博伦纳

物理学离不开对撞机;天文学离不开望远镜;生物学离不开 PCR 仪。在人类科学进步的历程中，新技术的出现是新发明和新思想诞生的基石和前奏。

值得1提的是，今年的10大创新成果榜单中，出现了更多与临床相干的发明。3D打印肾脏在培养皿中重现了人体器官的各项性质，精密设计的检测系统可以同时量化检测多个样品中多种类型的生物标记物：这些成果不但可以助力实验室研究，也将改变我们的临床实践。这些进步让我们明白，技术创新所能造福的不单单是制造业、和学术界，也包括全人类。

第10名

Thermo Fisher Scientific 公司

GeneArt Platinum Cas9 核酸酶

Thermo Fisher Scientific 公司在 CRISPR 试剂方面的1项突破成果GeneArt Platinum Cas9 核酸酶，入选了今年的10大创新成果。在大肠杆菌中纯化的重组酿脓链球菌Cas9 蛋白，即 GeneArt Platinum Cas9 包括了1段核定位序列，使其可以进入靶细胞的细胞核中。

我们1直深信，稳定的性能、活性和纯度是10分重要的，Thermo Fisher 的科学家、基因编辑工具和合成生物学研发经理 Jason Potter 说，所以我们通过大量的检测，保证我们具有10分稳健的纯化进程。Thermo Fisher 下属 Potter 团队于2015年发表了1篇文章，显示 GeneArt Cas9 在多种细胞系中表现出高达85的切割率。

斯坦福大学干细胞生物学家 Matthew Porteus 在他利用体外基因编辑医治血液疾病的研究中，使用了 GeneArt Platinum Cas9。目前他还在小鼠细胞中进行实验，但已与 Thermo Fisher 公司达成了合作关系，希望将成果推向临床实验。在使用 CRISPR/Cas9 系统进行高效特异的基因编辑时，我们遇到的问题是，已有的商业化 Cas9 酶是有毒性的，他说。现在已成了1种金标准，让我们能够取得其他试剂没法实现的结果。

25 g 包装的 GeneArt Platinum Cas9 核酸酶售价150美元，顾客还可以联系 Thermo Fisher 的专家寻求实验设计帮助或讨论操作流程。Thermo Fisher 副总裁，生物合成业务总经理 Helge Bastian 说：做基因编辑这1行的小技能就是，手把手的告知顾客用量和方法，告知他们如何去取得更好的结果。

WILEY：该技术避免了基于载体的 Cas9 表达，最少在特定细胞系中大大加快了典型 CRISPR-Cas9 系统的工作流程。

第9名

Photometrics 公司

Prime sCMOS 照相机

有了现代显微镜，研究者们还需要高性能的照相机来记录样品图象。每年，这些照相机都变得愈来愈好，Photometrics 产品经理 Rachit Mohindra 说，它们基本上可以说是的。要提升它们的程度是1项艰巨的任务，但是他认为他和他的团队通过4.2兆像素 Prime sCMOS 照相机做到了。

这款产品在2016年初发布，其内置算法可下降散粒噪声，这个进程不需要获得多个临时图象后综合处理，也不需要增加激光强度而破坏样品。Mohindra 说：有了这个照相机，就能够保持低强度光照，让被视察细胞存活更久，取得更好的数据。Prime照相机将信噪比提高了3到5倍，这相当于把光强下降了10倍。

Prime sCMOS 照相机的内置算法还可以减少研究者需要收集数据的总量，缩短处理和分析时间。Mohindra 说：不联网的情况下，每帧图片需要30秒的处理时间。如果你的照相机每秒可以摄取100帧，那末就需要花费5分钟来处理这1秒钟的数据。但是如果使用 Prime 照相机，可以立即完成处理进程。

Photometrics 公司 Prime sCMOS 照相机的实时过滤和高帧性能，乃至可使其捕捉到超分辨率显微镜的图象，更好的显示染色体结构变化，瑞士洛桑联邦理工学院的 Kyle Douglass 在公司网站上写到。这款照相机售价15,950美元。

STR?MVIK：高质量科研图片需求的增长伴随着对信息处理能力需求的增加。在照相机上安装现场可编辑逻辑门阵列是1条可行之路。

第8名

Horizon Discovery 公司

Turbo GFP 标记 HAP1 细胞

Horizon 公司的 HAP1 细胞已连续3年入选年度10大创新成果榜单。2014年，CRISPR 编辑敲除细胞系入选;2015年，用户定制敲除细胞系入选。2015年10月，Horizon 推出了 Turbo GFP 标记 HAP1 细胞，这类可在无需过表达特定基因的情况下对目的蛋白进行荧光标记的细胞系入选2016年度10大创新成果。

Horizon 公司细胞系产品经理 Daniella Steel 说，相比于抗体标记，该技术的大优势在于其简便性。有别于抗体技术，使用该技术不需要鉴定和优化，可以直接对活细胞进行视察。

瑞典理工学院的 Emma Lundberg 近正在她的人类蛋白质图谱项目的工作中使用这类细胞。Emma 主管共聚焦显微镜下蛋白质亚细胞定位工作，她说基因的过表达有时会致使蛋白定位的假阳性或假阴性结果。而现在你能看到你的标记物在哪里，并且知道它们是内源表达的，她说，HAP1 细胞操作起来很简单，很合适细胞成像工作。

由用户定制的此种细胞系售价3,400美元，制作周期大约16周。Horizon 还推出了1些用荧光标记蛋白标记特定细胞器的细胞系，售价1,450美元。Lundberg 认为，斟酌到实验室中培养和鉴定细胞所花费的时间，这个价格很公道。

Platt：这类基因改造细胞的进步在于，利用 CRISPR-Cas9 技术，这类细胞用 Turbo GFP 来标记基因??无需后续的免疫标记操作。

Fishman：利用 CRISPR-Cas9 自释放标签，使用者可以得到 Turbo GFP 标记的蛋白。蛋白质的内源性标记优于外源性标记，并且更加可靠和经济。

第7名

908 Devices 公司

ZipChip 微流体可分离质谱接口

ZipChip 是1款从本质上加速了质谱分析方法的微流体装备，它将所需样品体积小化，同时拓展了质谱分析可处理的样本范围。这个不足1英尺长的小盒子可以直接接入质谱仪，并通型腔则依照下偏差加工过其内置的载玻片大小的微流体芯片对样品进行处理。

通常，准备质谱样品是1个耗时且容易出错的进程。ZipChip 减少了潜伏复杂情况的产生从加载不同分为杠杆4球实验机与液压式两种。908 Devices 共同开创人，ZipChip Chris Petty 说，使用我们的前端装备，样品几近不需要经过任何准备进程，即便样品中含有盐粒子、去垢剂或其他基质，检测进程都不会遭到影响。

Petty 说，使用毛细电泳法，ZipChip 可以在两到3分钟内分离出样品中的化合物，而液相色谱法需要长达1个小时。她还说，这1装备提供了更好的样品分离方法，可以对蛋白质、抗体和抗体药物复合物等较难分离的份子进行分离。而且这类方法只需要几纳升样品。目前该装备售价30,000美元，配备自动进样器另加20,000美元。

纽约大学代谢组学研究者 Michael Pacold 说，将 ZipChip 引入实验室拓展了他的研究项目，ZipChip 能够更加快速的取得数据，也能够丈量更多来源的”Fetscher介绍说样品。许多临床研究都只能从样品库中取得几微升的血浆样本，他说，如果没有 ZipChip 这样的技术，这些实验不可能展开。而现在不可能已成了可能。

Platt：毛细管电泳、样品分离和直接向质谱单元加样使小体积样品测定成为可能，并且可能在减少准备时间的同时下降检测本钱、提高样品辨认率。

Unger：这1发明使用集成微流体技术作为质谱分析的前端，极大的提升了质谱分析的速度，同时还保存了样品的完全性。这将进1步增进质谱技术的普及，使其在研究领域和生物医疗领域得到更广泛的利用。

第6名

NanoStringTechnologies 公司

nCounter Vantage 3D Panels

2008年 NanoString 首次推出了 nCounter 分析系统，这个可以辨认特定份子荧光条形码的自动化显微成像系统，可以对 mRNA 进行单份子定量检测。NanoString 计划将该技术从 mRNA 拓展至 DNA 序列和蛋白质的单份子定量。2016年，该公司终究达成这1目标，推出了 nCounter Vantage 3D Panels。

升级后的 Vantage 检测系统可以对 mRNA、DNA、蛋白质乃至蛋白质磷酸化位点进行电子计数，NanoString 研发部副总 Joe Beechem 说。2016年4月，NanoString 推出了款 Vantage 检测系统，该系统可用于对肺癌和白血病样本的 RNA 电子计数，也可用于实体瘤释放的蛋白质和免疫细胞信号份子，和 DNA 单核苷酸位点突变的检测。

德克萨斯大学 MD安德森肿瘤中心系统生物学部主任 Gordon Mills 帮助研发了 Vantage 系统，并在安德森肿瘤中心扎耶德研究所将其利用于癌症的个性化医治。可用于实验室检测的平台很多，他说，但是没有1个能够和 nCounter Vantage 1样具有结果稳定性和操作简便性，并且可以同时检测患者样本中的DNA、RNA 和蛋白质。

nCounter 分析系统售价149,000至280,000美元，使用 nCounter Vantage 3D Panels 丈量单个样本需花费275美元或更多。不久的将来，NanoString 和 Mills 实验室计划推出能在单细胞水平上测绘生物份子空间散布的新版 Vantage 系统。

Wiley：这项技术可以同时丈量少许样品中的 DNA、RNA 和蛋白质丰度，凭仗这1点，它有可能成为今年大的技术突破。

Str?mvik：这项技术推动了当前的肿瘤学研究，将来还有可能被利用于其他领域。这是1台能够测定多达800种指定 DNA、RNA 或蛋白质的装备。

第5名

Thermo Fisher Scientific 公司

LentiArray CRISPR 文库

CRISPR-Cas9 技术非常实用，被誉为使基因编辑大众化的革命性技术。Thermo Fisher Scientific 公司的 LentiArray CRISPR 文库于2016年9月面世，使这1技术在挑选性实验中的利用变得更加方便。该公司推出了1系列试剂，当它们被加入到任何人类来源细胞中时，每一个细胞中会有1种基因被 CRISPR 敲除。

美国西北京大学学的 Simone Sredni 主要研究1种名为恶性横纹肌样瘤的高侵袭性儿童肿瘤，近她参与了该文库的黑盒测试。Simone 使用这1技术来筛查160种激酶突变后患者肿瘤细胞中产生的变化，从而找出影响细胞增殖和生长的突变。3个月后她得到了大部份的数据，并且发现了1些突变后可以减慢细胞生长的基因。真的很快，她说。仅仅用了1年多1点的时间，她就已开始使用动物模型在体内测试这些激酶抑制剂的效果了。如果没有这类筛查技术，我是不可能做到的。

该文库有多个版本。用户可以从19个不同的基因集中任意挑选，定制属于自己的挑选方案，或对18,000个基因进行无差别挑选。它不但是市场上高效的筛查技术，还在为不同需求构建不同实验方案上给出了很大的可操作空间，Thermo Fisher Scientific 合成生物学研发部主管 Jon Chesnut 说道。

Sredni 说，每一个文库售价10,000美元，可能有点小贵，但是对想要从事高效挑选的实验室来讲，物有所值。

Str?mvik：任何将 CRISPR 技术带入高通量水平的工作都是值得关注的。

Wiley：这是1个很好的辅助系统。虽然你也能够自己组建文库，但这个系统提供了1种寻觅基因生理功能的公道方法。

第4名

Axion BioSystems 公司

Lumos 光传输系统

Axion BioSystems 公司于2015年10月发布的新产品 Lumos 光传输系统，让体外光遗传学操作变得更加和可重复。该装置上有48个孔，每孔中有4个可独立控制的 LED 灯，可以分别以百万分之1秒的精度闪出不同波长的光。将装置放置在下方配有记录仪的微阵列培养平皿之上，研究者可以利用设置好的程序对多个培养体系中的细胞进行刺激、操纵和丈量。

哥伦比亚大学遗传学家 David Goldstein 正在使用 Lumos，他利用这1技术研究带有不同致癫痫突变的体外培养人神经元细胞网络。他说：长时间以来，在癫痫精准医疗的大环境下，我们都在寻觅1种中等复杂度，但是依然高效的，可供我们挑选化合物的体外模型。

体外培养神经元网络偏向于同步产生突触放电，这就大大减少了研究者们能从这1体系中搜集到的神经元行动数据。更加复杂的细胞交换行动可能会揭露突变的致病机制，想要取得这些信息，我们就需要调制和丈量神经元的行动。Goldstein 同时表示，他对 Lumos 在接下来1年中的表现10分期待。这个系统能帮我们做到这些。

Lumos 售价26,000美元。

Unger：这1高通量光学激起系统是逐步成形的生物光子学领域中的大范围实用装置。

Platt：这个平台赋予研究者们掌控的能力。多光频大功率 LED 灯增加了光刺激的可控性，为研究特异性光控蛋白创造了更多的操作空间。

第3名

Pacific Biosciences 公司

Sequel 测序系统

Sequel 测序系统是 Pacific Biosciences 公司新推出的1款单份子、实时测序仪，这款新测序仪的体积和重量不到该公司原始款长读长测序仪的3分之1，而价格则是其1半。

Sequel 在2015年秋季首次亮相，它可以提供与其同公司先辈 SMRT 测序仪 PacBio RS II 1样的长读长单份子测序服务。纽约市西奈山伊坎医学院的 Robert Sebra 从2015年10月开始使用这1系统，他认为与 PacBio RS II 相比，Sequel是1款更高效的 SMRT 测序仪，在相同时间中可以得到更多的数据，满足更大范围的基因组学和生物学研究对份子层面的更高要求，同时也能够更加高效的进行宏基因组样本的分析。

2007年到2012年，Sebra 在 PacBio 公司工作的6年时间中，使用 SMRT 技术进行过量种实验研究，其中还包括人类基因组从头测序。这类技术非常灵活，不论是用于研发回是产物测序都很好用，他说。本质上来讲，这1技术没有系统误差，可以在长读长测序中得到高质量的数据，从而更容易发现那些之前未被描写过的基因。

Sequel 测序技术在宏基因组学研究和感染性疾病研究中也有部份利用。Jonas Korlach 是 PacBio 公司的首席科学官，也是 SMRT 测序技术的共同发明人，他说这项技术近被利用于制作1个韩国个体的参考基因组序列。2016年10月，万种脊椎动物基因组计划和万种鸟类基因组计划的者都积极宣布，将选择 SMRT 测序技术作为他们的1项主要技术。

350,000美元的价格使得 PacBio 测序仪能够被更多的实验室接受。Korlach 说：现在的 SMRT 已人人可用了。

Fishman：Sequel 测序系统是在 Pacific Biosciences 之前版本基础之上的1大进步，它有更高的效力、更大的延展性，同时价格更加低廉。

Str?mvik：虽然小型的实验室依然负担不起，但这样的高效长读长测序技术是任何大型复杂基因组学研究、宏基因组学研究和宏转录组学研究都必不可少的。

第2名

Organovo 公司

ExVive 3D 打印人类肾脏

评估候选化合物是不是具有肾毒性是药物研发的1个重要环节，但原本的细胞模型和动物模型只能近似的摹拟人类肾脏。Organovo 公司研发的 ExVive 人类肾脏组织使用 3D打印技术构建，能够摹拟人类肾脏近曲小管。这1发明为药物研发者提供了可靠的肾毒性测试方法。

目前为止，几近没有临床前实验可以肯定潜伏药物是不是具有针对人类的毒性，这使得临床实验变得危险。辨认肾毒性可以减低临床实验的风险。更重要的是，这意味着可以保护参与临床实验的患者免受伤害，Organovo 首席科学官 Sharon Presnell 说。

3D生物打印与 3D塑料打印原理大致相同，Presnell 解释道，不过我们放入打印机中的是小量聚合的细胞，而不是高份子聚合物粉末。2014年，Organovo 出品的 ExVive 肝组织就在当年的10大创新成果榜中占据了1席之地，该公司根据具体合同为用户提供组织样本，具体价格根据客户需求的数量和种类有较大范围的浮动。

Presnell 还说，替换性肾组织不但可以用于毒理学研究，也能够为不能通过其他手段实现的肾组织研究提供平台。

Ardea Biosciences 公司的新陈代谢和药物代谢动力学研究人员 Caroline Lee 对这类人造肾脏组织的转运蛋白表达进行了描写性研究，她表示：这类组织的表现和真实肾脏组织几近完全1样。她发现组织中的定向转运蛋白可以正确地排列在膜上。你可以看到药物沿着正确的方向被转运，她说。这很了不起。

Unger：这类从形态和功能上复制肾组织的方法10分新颖和大胆，这1发明打破了传统细胞培养模式在组织层面对药物毒性评估的限制。

Fishman：这类技术可以用以替换临床前动物实验，减少我们在新药测试我们期待这1打印材料融入市场中对实验动物的依赖。通过在新药肾毒性测试中更好的摹拟人类肾脏的生物学特性，它具有改变药物研发进程的可能。

名

ProteinSimple 公司

Milo 单细胞蛋白质表达定量分析系统

能够进行单细胞蛋白质印迹的仪器已上市。这款名为 Milo 的台式仪器由加州大学伯克利分校的 Amy Herr 研究组发明，可以1次性对1,000 个单细胞中的特定蛋白质进行检测。使用者将细胞悬液滴加到1个1乘3英寸的玻璃载玻片上。这个特制的载玻片上覆盖着1层30微米厚的凝胶层，在其表面有约6,400个微孔。当细胞被滴加在凝胶层上时，细胞将进入这些微孔，有些微孔中会没有细胞，而大约1,000个微孔会被单个待测细胞填充。加入裂解细胞和使蛋白质变性的试剂后，施加电流使蛋白质进入孔间的凝胶中，并用紫外线激活凝胶中的化学试剂，使蛋白质被锁定在其中。

Herr 实验室毕业研究生，ProteinSimple 公司现任市场总监 Kelly Gardner 说：传统的蛋白印迹检测不能体现细胞间的异质性，由于传统技术是从集体层面分析样本的。Milo 让研究者们可以辨别细胞亚群。2014年6月对这项技术的概念描写首次发布时，学术界就对其产生了广泛的兴趣。在这类热烈响应的鼓励下，Herr、Gardnerand 和他们的同事 Josh Molho 创建了 Zephyrus Biosciences 公司，2016年3月该公司被 ProteinSimple 公司的母公司 Bio-Techne 收购。Bio-Techne 谢绝公然 Milo 的准确报价，但宣称每台 Milo 的价格与台式流式细胞仪相近，成心购买的研究者可以通过网站询价。由于产品刚刚问世，目前公司也还没法提供用户评论。

Unger：新型的特制盖胶玻片省去了转膜的步骤，并且可以同时进行上千个单细胞的高效大范围分析。随着仪器价格的降落，对很多问题蛋白进行更加细致高效的研究成为可能，研究者们也能取得更多关于单细胞响应的信息，这是现在研究中非常重要的领域。

Fishman：这是对已知技术进行低本钱小空间改造1个榜样。通过同时丈量细胞间蛋白质表达的异质性，这1技术大大节省了研究者的时间。

评审小组成员

JENNIFER FISHMAN

麦吉尔大学生物医学伦理学部、医学社会学系副教授，社会学系及健康与社会政策研究所成员。毕业于加州大学旧金山分校，取得社会学博士学位。

H. STEVEN WILEY

西太平洋国家实验室资深研究员。参与建立了早的部份受体调理计算机模型，因其在多种生物化学和光学定量分析方法方面的研究而闻名，这些模型和方法是评价细胞进程的基础计算模型。

MANU PLATT

佐治亚科技大学副教授，佐治亚理工大学Coulter生物工程学专业及艾莫利大学招生招聘主任。主要研究组织重塑、系统生物学，并借助计算和实验对多种疾病进行研究。

BARRY UNGER

波士顿大学行政管理副教授。创建或任职于库兹威尔电脑等多家公司。他还是MIT企业论坛的共同开创人和荣誉主席。

MARTINA STR?MVIK