上海信帆盤點2013年突破性生物技術

2013年即將過去，回顧這一年來的生物科技發展和行業(ye) 形勢變化，感慨萬(wan) 千。現在，上海信帆生物就幫大家盤點一下這一年來的幾大突破性生物技術：

基因組編輯技術CRISPR

一種可利用導向RNA分子靶向裂解DNA的細菌酶，一直以來被用作為(wei) 一種可編程工具，位點特異性修改從(cong) 細菌、人類細胞到斑馬魚等生物及細胞的基因組。CRISPR係統是細菌RNA 幹擾係統，研究發現其在霍亂(luan) 弧菌中防禦噬菌體(ti) 免疫係統帶有噬菌體(ti) 基因組。zui終發現噬菌體(ti) 編碼自身的CRISPR/Cas 係統，進而逃避宿主的天然免疫。

今年的1月，有四個(ge) 課題小組都報道稱他們(men) 對這種細菌免疫機製進行了成功的應用嚐試——對人類細胞裏的特定基因進行了定向破壞。科學家們(men) 將這種技術稱作 CRISPR 技術。在隨後的8個(ge) 月裏，更多的實驗室也開始使用這種技術，對人類細胞、小鼠、大鼠、斑馬魚、細菌、果蠅、酵母細胞、線蟲和多種農(nong) 作物進行了大量的試驗，成功地對基因進行了定向缺失、插入、活化或抑製等遺傳(chuan) 改造操作，從(cong) 各個(ge) 方麵證明了 CRISPR 技術的潛在應用價(jia) 值。雖然生物學家們(men) zui近也開發出了幾種新方法，可以對基因進行更加的操作，但是美國哈佛大學（Harvard University）的George Church 認為(wei) ， CRISPR 技術的率和易用性還是其他技術無法匹敵的。

科學家們(men) 可以使用 CRISPR 技術，用比以往快得多的速度構建人類疾病的小鼠動物模型，也能以更快的速度對基因進行研究，而且還可以一次對細胞內(nei) 的多個(ge) 基因進行遺傳(chuan) 學改造，研究這些基因之間的相互作用。雖然伴隨著近年來逐漸流行起來的的 CRISPR 技術狂潮，也慢慢暴露出了這項技術的一些不足和限製，使這股熱潮進一步蔓延的速度有所減退，但是Church和其它的 CRISPR 技術們(men) 還是堅信，這項技術有著美好的前景，他們(men) 還組建了公司，希望能夠利用 CRISPR 技術治療各種遺傳(chuan) 性疾病。

納米成像技術

今年3月的《科學通報》中，匯集了來自華中科技大學，上海交通大學，東(dong) 南大學，華南師範大學等多處研究機構，關(guan) 於(yu) 納米生物成像的進展，包括涉及基於(yu) 金納米粒子的熒光分子信標，靶向多肽連接的量子點，水相合成量子點常用的方法， 以及其在細胞成像及活體(ti) 成像中的應用等等各個(ge) 方麵的內(nei) 容，從(cong) 不同的側(ce) 麵反映了當前納米生物成像的某些、國內(nei) 動態，精彩紛呈。

納米生物成像技術將納米生物技術引入到各種成像方法中以提高成像的質量， 同時納米生物成像的需求也不斷促進著納米生物技術的發展。目前基於(yu) 納米材料構建的分子影像探針， 已在生命科學基礎研究和研究醫學應用中受到越來越多的關(guan) 注， 特別是在實時、動態、高靈敏成像方麵具有廣闊前景。

生物成像領域已經可以采用各種顯微技術和共聚焦等技術了，這提高了圖像的度，但是要觀察的深層組織活動，因此在一些活體(ti) 成像，組織深部觀察等方麵還需要更多的技術進步。Cell雜誌以“Review Focus: Imaging"為(wei) 中心，介紹了生物成像研究方麵的進展，其中特別提及了活體(ti) 熒光顯微技術今年來的新成果，認為(wei) 這項技術嶄露曙光，在細胞生物學，神經科學，腫瘤生物學等多方麵發揮作用。

3D打印技術

3D生物打印技術可讓科研人員另辟途徑地製造人體(ti) 替換器官，雖然將其應用於(yu) 醫療服務領域還需很長一段時間，但是科學家相信隨著3D生物打印技術以及再生醫學的發展進步，將zui終實現人體(ti) 器官的個(ge) 性化定製。

3D打印技術的原理與(yu) 普通打印機的基本相同，將裝有液體(ti) 或細胞等“生物材料"，與(yu) 電腦連接後，通過電腦控製把“打印材料"一層層疊加起來，zui終把計算機上的藍圖變成實物。

今年8月，杭州電子科技大學生物工程專(zhuan) 業(ye) 的徐銘恩教授帶領團隊，研發出了*台生物3D打印機，能夠直接打印出人體(ti) 活細胞。利用這些細胞的基礎，打印機還可以打印諸如骨骼修複器件、人工器官等生物材料。這些從(cong) 打印機裏誕生的材料，將來可以幫助人們(men) 進行組織修複，髒器移植，美容整形。

這台生物3D打印機，除了可以打印多種生物材料，還能打印人體(ti) 活細胞，從(cong) 而直接打印出“活"的組織。打印出來的髒器，如骨骼、血管等，zui珍貴的“品質"是要能和人類“相生相依"。首先要讓人體(ti) 接納它們(men) ，然後實現相應的組織和器官功能。徐銘恩表示，部分打印出來的組織融合試驗，已經在老鼠身上獲得成功。“但是，目前，我們(men) 的打印機，打印出來的單元器官，‘塊頭’要比人體(ti) 真正的器官大5倍，並且能打印的活細胞種類還不多，包括後期要怎樣使得各種活細胞自然組合、共同生成人工髒器，我們(men) 可能還需要至少10年的時間。"

宏基因組學測序技術

長期以來，對微生物（microorganism）功能開展的研究主要依賴的都是以在實驗室裏培養(yang) 的單一物種（individual specie）為(wei) 對象獲得的研究成果。大約在10年前，科研人員們(men) 開始獲得自然環境中存在的、非人工培養(yang) 的細菌或古細菌（archaea）的基因組草圖，這些基因組數據為(wei) 科研人員們(men) 了解這些微生物在自然環境中的作用打開了一條新的渠道。這就是所謂的宏基因組學（metagenomics）技術，該技術的發展現在已經可以做到從(cong) 多個(ge) 不同的環境樣本中快速、準確地獲得環境微生物的基因組序列。這些成果有可能會(hui) 我們(men) 對生命之樹結構，以及各個(ge) 物種代謝能力的理解和認識。生物信息學的飛速發展也提供了另外一種便利，由於(yu) 能夠全麵了解遺傳(chuan) 信息和數據，所以能夠快速地為(wei) 這些宏基因組數據在醫學診斷、農(nong) 業(ye) 、法醫以及生物技術等應用領域裏找到合適的位置和用途。

宏基因組學技術是一種不需要進行微生物培養(yang) 的微生物研究方法，可以直接對取自環境裏的微生物樣品進行分析和研究。整個(ge) 流程是先將樣品裏的DNA提取出來，進行測序，然後用計算機軟件對測序結果進行分析。這種方法至少解決(jue) 了兩(liang) 個(ge) 非常重要的問題。首先，該技術能夠讓我們(men) 對大自然裏99%的微生物（這些都還是沒能在實驗室裏成功培養(yang) 的微生物）進行分析和研究。其次，可以對整個(ge) 大環境裏的微生物進行研究。

隨著測序技術不斷發展，測序的速度、精度、信息豐(feng) 富程度都有了大幅度的提升，高通量的宏基因組學技術也逐漸具備了給要求更快、更準確、特異性更高的整個(ge) 測序診斷領域帶來革命性改變的能力。更重要的是，如果掌握了生命之樹中很多之前還沒有被發現的基因組信息，將極大地豐(feng) 富我們(men) 對生命和進化曆程的認識和了解。

產(chan) 前DNA檢測技術

2013年1月7日，銷量zui大的DNA測序儀(yi) 生物試劑商、美國Illumina公司以3.5億(yi) 美元收購了Verinata公司。吸引Illumina的是Verinata的*技術：對未出生胎兒(er) 進行DNA測序。

Verinata是美國快速發展的產(chan) 前DNA檢測市場中使用Illumina測序儀(yi) 的四家公司之一。該公司采用的新檢測技術是通過一小管母親(qin) 血液中痕量的胎兒(er) DNA而檢測唐氏綜合症。在以前，唐氏綜合症檢測意味著要從(cong) 胎盤或羊水中獲取胎兒(er) 的細胞，這些方式都具有一定的流產(chan) 風險。

這種無創篩選技術更加安全方便，使得產(chan) 前DNA檢測很容易被接受，因此也成為(wei) Illumina測序儀(yi) 在醫學上的一個(ge) 重要的新應用，而在此之前，測序儀(yi) 主要用於(yu) 實驗室研究。Illumina公司總裁傑伊•弗拉特利預計在美國每年將有200萬(wan) 女性進行這種檢測，占了所有孕婦數量的一半。

唐氏篩查可能還僅(jin) 僅(jin) 是產(chan) 前DNA測序的開始。一些和Verinata一樣推出唐氏綜合症檢測的實驗室和公司還宣稱他們(men) 已經掌握了如何從(cong) 母親(qin) 的血液中獲取更多信息，包括胎兒(er) 全基因組序列。這是技術上的突破，可能也是商業(ye) 的突破。

PCI意識測量技術

對於(yu) 大多數人而言，意識和無意識狀態很容易區分，但對一些腦損傷(shang) 患者來說，兩(liang) 者之間就很難區分了。今年8月， 神經學家們(men) 設計出一種腦活動單一度量標準，將有助於(yu) 區分不同的意識狀態，並指導腦損傷(shang) 患者的醫學治療。目前，相關(guan) 研究報告發表於(yu) Science Translational Medicine期刊上。

一種理論認為(wei) ，在有意識的大腦中，每個(ge) 不同的神經元群都在起著其自身的特定的計算作用，但它們(men) 也仍然能夠與(yu) 其他神經元群進行溝通。換言之，它們(men) 會(hui) 互動並計算。當大腦失去這種複雜性時，神經元或者會(hui) 變得更為(wei) 均一，或者它們(men) 的溝通能力受到損害。意大利米蘭(lan) 大學的教授Marcello Massimini博士帶領的研究團隊以此為(wei) 線索設計出一種腦活動單一度量標準，將有助於(yu) 區分不同的意識狀態。

在的研究中，Massimini研究小組提出一種新方法來檢測大腦複雜性，即有多少信息流動正在大腦中發生。該方法被稱作擾動複雜性指數（PCI）。在整個(ge) 過程中，研究人員使用一個(ge) 強力的磁刺激對整個(ge) 大腦進行一次輕微的“震動"，並記錄神經元的反應。PCI可以區別以上所有的狀態。這種指數是基於(yu) 對EEG複雜的數學分析，從(cong) 0至1評判人們(men) 的意識性水平。研究中*清醒的樣本的PCI為(wei) 0.6以上，處於(yu) 輕度睡眠的樣本PCI約為(wei) 0.4，而處於(yu) 深度睡眠的樣本的PCI大約為(wei) 0.2。被麻醉的被試者PCI低至0.12，這意味著他們(men) 處於(yu) 無意識的深度狀態。麻醉強度越大，PCI值越低。

Massimini認為(wei) ，基於(yu) 對大腦複雜性產(chan) 生的效應，PCI技術無需患者從(cong) 事任何有關(guan) 感覺、運動或認知的任務，可以客觀的同時從(cong) 數量角度評價(jia) 藥物或者大腦刺激療程的功效。因此，該技術能夠幫助內(nei) 科醫生檢測治療的效果。

基因芯片技術

目前大部分基因芯片的應用目前仍於(yu) 科研水平，這項技術似乎已轉向應用於(yu) 個(ge) 體(ti) 化醫療的研究應用。事實上，一些產(chan) 品已經能用於(yu) 醫學診斷，並且有更多的產(chan) 品已經在研發當中。未來，這一技術將很可能成為(wei) 科研和研究應用中一項很有用的工具。

通過現有的技術，人們(men) 可以輕而易舉(ju) 地從(cong) 基因組中收集信息，而棘手的方麵在於(yu) 如何解析這些信息的研究相關(guan) 性。華盛頓大學聖路易斯醫學院基因組技術促進中心聯合主任Seth Crosby發現，隨著時間的推移，研究醫生可能會(hui) 開始掌握哪些基因組的變化會(hui) 影響樣本的健康，而哪些是無害的。他說：“一旦這些相關(guan) 和不相關(guan) 基因的列表範圍逐漸縮小，而我們(men) 也領會(hui) 到哪些多態性是重要的，這就可以用來打造非常廉價(jia) 的芯片，有助於(yu) 疾病的檢測。"

除了經濟上的優(you) 勢以外，基因芯片也提供了可掌控的數據數量。就像Crosby所解釋的，“大部分基因組是沒有變異的"。因此，通過基因芯片，“我們(men) 可以隻收集我們(men) 所需要的數據。"

為(wei) 了將基因芯片應用於(yu) 研究診療，醫生們(men) 需要那些經過認可的工具。Pathwork診斷公司（加州雷德伍德市）的Pathwork組織起源檢測中使用的經FDA認證的診斷工具，是利用昂飛芯片去判定樣本癌症起始的組織類型，如乳腺或結腸。

除了可以用於(yu) 研究個(ge) 體(ti) 的遺傳(chuan) 特征外，基因芯片還可以用於(yu) 探索不同群體(ti) 和培養(yang) 物間的遺傳(chuan) 差異。例如，加州聖地亞(ya) 哥Illumina公司研發出了名為(wei) Infinium HumanCore BeadChip的基因芯片家族，能夠提供群體(ti) 水平或生物樣本庫研究的解決(jue) 方案。這些基因芯片能夠容納大量的樣本，讓科研人員可以實現強大的統計分析，這些分析能夠揭示健康和疾病群體(ti) 間遺傳(chuan) 變異分布的差異。為(wei) 了趕上技術的改變，一些公司開始提供服務，未來 基因芯片將會(hui) 繼續服務於(yu) 基礎研究，並提供基因組學相關(guan) 的研究工具。zui終，基因芯片將會(hui) 在其功效發揮zui出眾(zhong) 的領域繼續前進。

快速癌症檢測技術

今年11月17日，清華大學生命學院羅永章教授研究組在上發現Hsp90α(熱休克蛋白90α)為(wei) 一個(ge) 全新的腫瘤標誌物。患者隻需提供一些血液，通過試劑盒檢測，即可用於(yu) 病情監測和治療效果的評價(jia) ，為(wei) 指導腫瘤個(ge) 體(ti) 化治療提供輔助依據。自主研發的Hsp90α定量檢測試劑盒已通過研究試驗驗證，獲得了國家第三類(zui高類別)醫療器械證書(shu) ，並通過了歐盟認證，從(cong) 此獲準進入中國和歐盟市場。

這是人Hsp90α被發現24年來，*將其用於(yu) 研究的產(chan) 品，對於(yu) 提高腫瘤患者的病情監測和療效評價(jia) 水平、實現腫瘤個(ge) 體(ti) 化治療具有重要推動作用。2011年，美國國家癌症研究院公布了31個(ge) 被明確用於(yu) 癌症檢測的產(chan) 品，其中以血液為(wei) 檢測對象的有17個(ge) ，均由外國科學家發現和定義(yi) ，至今尚無中國自主發現的腫瘤標誌物在研究中被廣泛應用和認可。羅永章課題組在重大科學發現的基礎上，與(yu) 普羅吉生物科技發展有限公司合作，攻克了一係列技術難題，成功研發出了性能穩定的“Hsp90α定量檢測試劑盒"，並通過2347例研究試驗，成功證明Hsp90α是肺癌相關(guan) 腫瘤標誌物，可用於(yu) 患者病情監測和療效評價(jia) 。同時，Hsp90α腫瘤標誌物具有廣譜特性，其用於(yu) 肝癌、乳腺癌、結直腸癌、前列腺癌、胰腺癌、胃癌等其他多個(ge) 瘤種的研究試驗也將在近期完成。

羅永章介紹說，與(yu) 其他腫瘤檢測手段相比，腫瘤標誌物更方便快捷，成本也大大降低。患者隻需取一滴血液，通過“Hsp90α定量檢測試劑盒"檢測血漿中Hsp90α的含量，即可用於(yu) 病情監測和治療效果的評價(jia) ，為(wei) 指導腫瘤個(ge) 體(ti) 化治療提供輔助依據。