美《科學家》雜志評選出2016年生命科學領域十大創新產品

　　美國著名科普雜志《科學家》（The Scientist）是一份在生命科學方面被廣大讀者認可，并受業界尊敬的月刊雜志。該雜志一直致力于研究生命科學，為科研人員提供最新的研究動態，科研成果發布等多方面的報道。每年年底，該雜志都會頒發生命科學相關的十大創新產品獎項。

　　近日，《科學家》公布了其評選的2016年十大創新產品名單。通常而言，創新只是在以往技術上的增量修補，很少能有顛覆性的革新。今年的十大創新產品獲獎名單中就包括了大膽的顛覆式創新設計，有望為基礎生物學、藥物研發和臨床實驗領域帶來更多的新發現。但是也有我們已經非常了解，之前被低估的生命科學領域的創新。

　　遺傳學家們可能會陶醉于一臺單分子長讀長的測序新平臺，而合成生物學家正渴望著CRISPR Cas9技術的發展，指導RNAs和核酸酶的發展促進更高效和精確的基因組編輯。這就如生物學一樣，生命科學技術往往超過其各部分之和。

　　值得一提的是，今年的十大創新產品名單中，出現了越來越多的臨床相關的創新技術，如3D打印的人體腎臟組織。這些發明提醒著我們，創新和發展出現的時候，得益的不僅是制造商、開發商和學者，所有的人類都會受益。

　　1. ProteinSimple公司Milo單細胞蛋白質表達定量分析系統

　　Milo由加州大學的Amy Herr實驗室研發，是第一部單細胞水平，蛋白質表達定量分析系統。Milo系統采用ZL的微流控Western blot芯片，通過單細胞微孔設計，采集單細胞，然后原位裂解細胞，釋放蛋白，進行蛋白質電泳，將不同分子量蛋白進行分離，提高免疫學檢測特異性。之后，采用ZL技術進行蛋白質原位捕獲，使用Western blot驗證抗體及熒光標記二抗直接雜交，掃描儀進行芯片掃描后，Scout軟件對掃描結果進行深度定量分析。

　　研究者可以一次性在約1000個單細胞中找到特定的蛋白質。用戶只需用吸管吸附細胞懸液到1×3英寸的玻片上，玻片上覆蓋有30μm厚、點綴有6400個微孔的凝膠層。隨著細胞進入凝膠，約有1000個孔能夠收集到單獨的細胞用于分析。研究人員然后添加試劑化學溶解細胞，讓蛋白質變性；接下來用電荷把蛋白質拉入這些空洞空間，再用UV燈激活凝膠里的化學藥物，來鎖定蛋白條帶。

　　ProteinSimple的市場總監說：“傳統Western不能體現異質性，而Milo可以鑒定亞種群。”該公司拒絕透露確切的Milo單位價格，但表示它的成本和傳統臺式流式細胞分析儀的價格差不多。

　　2. Organovo公司ExVive 3D打印人類腎臟組織

　　藥物開發中一個相對關鍵的步驟是檢測候選化合物是否會損害腎臟，但現有的細胞培養和動物模型只能近似于人類的腎臟。來自Organovo公司的ExVive人類腎臟組織是一種使用3D生物打印的腎臟近端小管復制品，它為藥物開發者提供了一種可靠的腎毒性測試手段。

　　目前，很少有藥物能夠在臨床測試前就確定是否有毒，使得投資臨床測試會對藥物開發商帶來很高的風險。如果在研發早期就能識別腎毒性，就能讓這個風險降低。“更重要的是，知道你在做的事情對將要進行臨床實驗的患者真的不會帶來危害。”Oraganovo首席科學官Sharon Presnell說。

　　生物打印的工作原理類似于3D塑料打印，Presnell解釋說：“但不是將聚合物珠子放進打印機，而是小的細胞聚體。這個腎組織復制品還可應用于毒理學之外的領域，作為一個腎組織實驗平臺。”Oraganovo還曾依靠ExVive肝組織贏得了2014年的十大創新獎項。

　　“它似乎和天然的腎組織完全一樣。”Caroline Lee說。她是Ardea Biosciences的代謝和藥物動力學研究員，正在檢測人工組織中的轉運蛋白表達。她發現定向運輸蛋白可以沿著膜準確定向。“你可以看到藥物往正確的方向走，這非常了不起。”

　　到目前為止，Organovo已經收到關于該項創新產品的大量商業訂單。

　　3. Pacific Biosciences公司Sequel系統

　　Pacific Biosciences最新推出的單分子實時（SMRT）測序儀Sequel系統，比原始的長讀長測序儀的尺寸不到1/3，重量減少了一半。

　　Sequel系統是PacBio在去年秋季推出，與老SMRT測序儀PacBio RS Ⅱ的有著相同的長讀長和單分子分辨率。“與RS Ⅱ相比，它是一個高通量版本的SMART測序儀，產出更快，能應對更大的基因組和更高的分子深度需求，如宏基因組樣本。”紐約西奈山醫學院的Robert Sebra說到，該院于2015年12月已經啟用了該儀器。

　　Sebra在2007年到2012年曾在PacBio工作，已將SMRT技術應用于多個實驗，包括人類基因組從頭測序。他說：“它能非常靈活地應用于研發和生產測序，基本上沒有系統誤差，做到了高質量測序數據與長讀長融合，幫助發現新的基因組特征。”

　　Jonas Korlach（PacBio首席科學家，SMRT測序的發明人之一）說：“Sequel System在宏基因組和傳染病研究中也特別有用，它最近被用來參與一個韓國人的參考基因組研究。”今年10月份，萬種脊椎動物基因組聯盟（G10K） 和萬種鳥類基因組聯盟（B10K）的領導人宣布選擇SMRT測序作為主要技術。

　　PacBio測序儀的標價是350萬美元，將惠及更多的實驗室。

　　4. Axion BioSystems公司Lumos光傳遞系統

　　Axion BioSystems公司在2015年12月所推出的Lumos光傳遞系統，可以能夠讓體外光遺傳學研究得比以往更加準確、重復性更好。該系統包含了48個孔，每個孔中鑲嵌了4個可獨立控制的LED發光器，能夠分別發出藍、綠、橙、紅四種光，而且實現微秒級的轉換。把這個設備放到微陣列培養皿上，研究人員就能對培養細胞進行精確地刺激、操縱和測量了。

　　哥倫比亞大學的遺傳學家David Goldstein已準備利用Lumos在實驗室里研究癲癇了，他說：“我們已經花了很長時間一直在尋找一個精準的癲癇藥物環境，這是一個中級復雜度的體外模型，同時有足夠高的通量可以篩選化合物。人工神經元網絡傾向于與突觸發射同步，實驗者從它們的行為中獲得的信息數量就會變少。為了引出更復雜的行為，可能揭示突變帶來的影響，Lumos系統能讓我們實現對神經網絡特定通道的調控并檢測反饋信號，從而研究癲癇突變在這個復雜體系中的作用。”

　　Lumos的價格為26000美元。

　　5. 賽默飛世爾公司LentiArray CRISPR文庫

　　CRISPR-Cas9技術因其易用性，被譽為讓基因自主編輯實現大眾化普及的技術。賽默飛世爾在今年九月推出的LentiArray CRISPR庫，讓每個實驗室使用CRISPR技術變得更簡單。賽默飛世爾開發的試劑能夠讓研究人員使用CRISPR使用于多種人體細胞實現基因編輯，從HeLa腫瘤細胞到誘導性干細胞，都能使用CRISPR將基因逐個敲除。

　　美國西北大學的Simone Sredni正在研究橫紋肌樣瘤，一種兒童惡性腫瘤。她使用了LentiArray文庫，篩選患者腫瘤細胞中突變的160種激酶，以期找出影響細胞增殖和生長的關鍵酶。她在3個月后得到了原始數據，有幾種酶的損傷確實使生長變慢。她表示試驗速度真的很快，現在只有一年多一點的時間，就在動物模型上測試這些激酶抑制劑的效果。她認為沒有這個篩選實驗的話，她無法找到這幾種酶。

　　這個文庫有不同的類型。客戶可以選擇19個不同的基因組合，定制化芯片，或者進行約1.8萬種基因的篩選。賽默飛世爾的合成生物學研發總監說：“這不僅是市面上最高效的篩選技術，還為我們各種實驗提供了更多選擇。”

　　Sredni認為，一個文庫1萬美元起步有點貴，但是對實驗室進行高通量篩選來說還是值得的。

　　6. NanoString公司nCounter Vantage 3D平臺

　　2008年，NanoString發布了nCounter分析系統，一臺能計算與靶分子結合的彩色條碼的自動顯微鏡。該項技術的最初目的是設計用于定量檢測mRNA，后來逐漸改進應用到DNA序列、蛋白的計數，甚至還能分析蛋白的磷酸化狀態。今年4月，NanoString推出了第一款Vantage 3D平臺，能夠數字化檢測計數肺癌、白血病樣本的mRNA表達情況，還有實體瘤生物學和免疫細胞信號通路中的相關蛋白，以及DNA的單堿基突變。

　　Gordon Mills是安德森癌癥中心的系統生物學系主任，參與研發了Vantage panels，并將該平臺應用于臨床。他說：“有很多平臺可以用于人類樣本檢測，但是它們中沒有誰具有nCounter Vantage system的魯棒性、易用性和在病人樣本中同時檢測DNA、RNA和蛋白的能力。”

　　nCounter analysis system價格范圍為14.9~28萬美元，而nCounter Vantage 3D Panels每個樣本的檢測價格為275美元左右。在不久的將來，NanoString 和Mills的實驗室計劃設計新的Vantage平臺，添加單細胞范圍的分子組成空間定向檢測維度。

　　7. 908 Devices公司ZipChip芯片

　　Zipchip芯片本質是一個微流體設備，能夠輔助質譜分析儀，減少樣本量并擴大檢測物質范圍。這個芯片不足1英尺，可以直接安裝到質譜分析儀上，從而讓樣本通過微流體芯片達到優化檢測的目的。

　　一般來說，準備質譜樣本時非常耗時且容易出錯。908 Devices公司的共同創始人Chris Petty透露：“有了這個前端，我們可以幾乎不用怎么處理樣本就進行分析，即使樣本中含有鹽、洗滌劑或其他雜質。ZipChip芯片利用毛細管電泳能在2~3分鐘內分離樣本，而液相色譜柱起碼需要1個小時。這個設備還能更好地分離一些難分離的物質，例如蛋白、抗體、抗體和藥物的交聯物等。”

　　Michael Pacold在紐約大學研究代謝組學，他說實驗室里有一臺ZipChip能讓他的課題范圍更廣闊，因為他能從更多的資源中更快地獲得數據。Pacold說：“很多臨床實驗你只能從庫里拿到幾納升的血漿，沒有像ZipChip這樣的設備，無法完成這些實驗。”

　　這款設備的售價為3萬美元，自動進樣器2萬美元。

　　8. Horizon公司Turbo綠色熒光蛋白標記性HAP1細胞

　　Horizon的HAP1細胞已經連續第3年贏得了《科學家》的十大創新產品獎項了。在2014年，CRISPR基因敲除細胞系贏得了此稱號；2015年，Horizon在此基礎上推出了可以根據客戶需求個性化編輯基因；去年10月，Horizon推出Turbo綠色熒光蛋白標記性HAP1細胞，使得可以通過熒光觀察基因的表達情況，讓Horizon又登上今年的榜單。

　　Horizon的細胞株產品經理說，使用這些細胞而不用抗體標記的其中一個主要原因就是簡便。你不需要像使用抗體那樣進行篩選和優化，你可以看到這些細胞的活動動態。

　　瑞典皇家理工學院的Emma Lundberg近期負責了人類蛋白質圖譜繪制計劃（Human Protein Atlas project）。她負責使用激光共聚焦顯微鏡進行蛋白亞細胞定位，她說過表達有時會導致人工蛋白或蛋白的錯誤定位。最終她選擇使用了HAP1細胞來完成這個項目，因為可以直接看到蛋白在細胞間的位置，熒光拍照時會很方便。

　　9. Photometrics公司Prime sCMOS照相機

　　研究人員現在可以利用功能強大的顯微鏡照相機拍攝到非常漂亮的樣本照片。Photometrics的產品經理Mohindra說：“公司每一年的相機技術都在提升，但是全新的4200萬像素的Prime sCMOS相機已經接近完美。”在2016年初發布的這臺相機將信噪比提高了3至5倍，需要的光強度大大降低到原來的十分之一，這樣就可以降低拍攝時的熒光強度，延長細胞壽命，獲得更好的數據。

　　Mohindra還說：“你可以維持低的光度，讓細胞存活得更久，獲得更好的數據。”Prime sCMOS相機的內置算法還減少了研究者收集的數據總量，加快運行和分析的次數。脫機加工時每一幀費時30秒，如果你的相機每秒獲得100幀，那就需要50分鐘來處理1秒的有效數據。如果使用Prime camera，研究者就能馬上完成數據處理。

　　Photometrics Prime sCMOS相機的實時過濾和高幀速率可以捕獲更多的超像素顯微鏡數據，更好地鑒別出染色體結構的變化。它的售價為15950美元。

　　10. 賽默飛世爾公司GeneArt Platinum Cas9核酸酶

　　賽默飛世爾公司再次上榜！除了LentiArray CRISPR文庫，賽默飛世爾的另一個CRISPR試劑同時獲得了今年的十大創新產品——GeneArt Platinum Cas9核酸酶。在釀膿鏈球菌中提取的重組Cas9 蛋白研發的GeneArt Platinum Cas9核酸酶含有核定位信號，可以輔助其進入靶細胞的細胞核。

　　賽默飛世爾的基因編輯研發經理Potter說：“我們知道這項產品最重要的是穩定的質量、活性和純度，所以我們通過大量的試驗確保提取的過程是高效的。”Potter的團隊去年發表的文章表明GeneArt Cas9對多種細胞株的切割效率達到了85% 。

　　斯坦福大學醫學院的干細胞生物學家Matthew Porteus，將GeneArt Platinum Cas9用于他的血液疾病活體外基因編輯研究，目前使用的是小鼠細胞，已與Thermo合作進行臨床試驗。使用CRISPR/Cas9系統完成基因組編輯是高效而且具特異性的。他說：“我們的問題在于之前商用的Cas9蛋白有毒性，從而難以進行臨床試驗。而GeneArt Platinum Cas9確實成為了關鍵蛋白，獲得了用其他試劑達不到的效果。”

　　一管25μg的GeneArt Platinum Cas9核酸酶售價150美元，客戶可以咨詢賽默飛世爾的專家，進行實驗設計和整個實驗步驟的咨詢。