2013年度突破性生物技術(shù)盤(pán)點(diǎn)

　　近些年來(lái)，以基因工程、細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程等為代表的現代生物技術(shù)發(fā)展迅猛，并日益影響和改變著(zhù)人們的生產(chǎn)和生活方式。這里就為您呈現本年度那些有突破性的生物技術(shù)，以及這些技術(shù)的未來(lái)走向預測。

　　基因組編輯技術(shù)CRISPR

　　一 種可利用導向RNA分子靶向裂解DNA的細菌酶，一直以來(lái)被用作為一種可編程工具，位點(diǎn)特異性修改從細菌、人類(lèi)細胞到斑馬魚(yú)等生物及細胞的基因組。 CRISPR系統是細菌RNA 干擾系統，研究發(fā)現其在霍亂弧菌中防御噬菌體免疫系統帶有噬菌體基因組。最終發(fā)現噬菌體編碼自身的CRISPR/Cas 系統，進(jìn)而逃避宿主的天然免疫。

　　今年的1月，有四個(gè)課題小組都報道稱(chēng)他們對這種細菌免疫機制進(jìn)行了成功的應用嘗試——對人類(lèi)細胞里的特定基 因進(jìn)行了定向破壞�？茖W(xué)家們將這種技術(shù)稱(chēng)作 CRISPR 技術(shù)。在隨后的8個(gè)月里，更多的實(shí)驗室也開(kāi)始使用這種技術(shù)，對人類(lèi)細胞、小鼠、大鼠、斑馬魚(yú)、細菌、果蠅、酵母細胞、線(xiàn)蟲(chóng)和多種農作物進(jìn)行了大量的試驗， 成功地對基因進(jìn)行了定向缺失、插入、活化或抑制等遺傳改造操作，從各個(gè)方面證明了 CRISPR 技術(shù)的潛在應用價(jià)值。雖然生物學(xué)家們最近也開(kāi)發(fā)出了幾種新方法，可以對基因進(jìn)行更加精確的操作，但是美國哈佛大學(xué)(Harvard University)的George Church 認為， CRISPR 技術(shù)的高效率和易用性還是其他技術(shù)無(wú)法匹敵的。

　　科學(xué)家們可以 使用 CRISPR 技術(shù)，用比以往快得多的速度構建人類(lèi)疾病的小鼠動(dòng)物模型，也能以更快的速度對基因進(jìn)行研究，而且還可以一次對細胞內的多個(gè)基因進(jìn)行遺傳學(xué)改造，研究這些基 因之間的相互作用。雖然伴隨著(zhù)近年來(lái)逐漸流行起來(lái)的的 CRISPR 技術(shù)狂潮，也慢慢暴露出了這項技術(shù)的一些不足和限制，使這股熱潮進(jìn)一步蔓延的速度有所減退，但是Church和其它的 CRISPR 技術(shù)先驅們還是堅信，這項技術(shù)有著(zhù)美好的前景，他們還組建了公司，希望能夠利用 CRISPR 技術(shù)治療各種遺傳性疾病。

　　納米成像技術(shù)

　　今 年3月的《科學(xué)通報》中，匯集了來(lái)自華中科技大學(xué)，上海交通大學(xué)，東南大學(xué)，華南師范大學(xué)等多處研究機構，關(guān)于納米生物成像的最新進(jìn)展，包括涉及基于金納 米粒子的熒光分子信標，靶向多肽連接的量子點(diǎn)，水相合成量子點(diǎn)常用的方法， 以及其在細胞成像及活體成像中的應用等等各個(gè)方面的內容，從不同的側面反映了當前納米生物成像的某些國際、國內動(dòng)態(tài)，精彩紛呈。

　　納米生物成 像技術(shù)將納米生物技術(shù)引入到各種成像方法中以提高成像的質(zhì)量， 同時(shí)納米生物成像的需求也不斷促進(jìn)著(zhù)納米生物技術(shù)的發(fā)展。目前基于納米材料構建的分子影像探針， 已在生命科學(xué)基礎研究和臨床醫學(xué)應用中受到越來(lái)越多的關(guān)注， 特別是在實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高靈敏成像方面具有廣闊前景。

　　生物成像領(lǐng)域已經(jīng)可以采用 各種顯微技術(shù)和共聚焦等技術(shù)了，這提高了圖像的精確度，但是要觀(guān)察的深層組織活動(dòng)，因此在一些活體成像，組織深部觀(guān)察等方面還需要更多的技術(shù)進(jìn)步。 Cell雜志以“Review Focus: Imaging”為中心，介紹了生物成像研究方面的最新進(jìn)展，其中特別提及了活體熒光顯微技術(shù)今年來(lái)的新成果，認為這項技術(shù)嶄露曙光，在細胞生物學(xué)，神經(jīng) 科學(xué)，腫瘤生物學(xué)等多方面發(fā)揮作用。

　　3D打印技術(shù)

　　3D生物打印技術(shù)可讓科研人員另辟途徑地制造人體替換器官，雖然將其應用于醫療服務(wù)領(lǐng)域還需很長(cháng)一段時(shí)間，但是科學(xué)家相信隨著(zhù)3D生物打印技術(shù)以及再生醫學(xué)的發(fā)展進(jìn)步，將最終實(shí)現人體器官的個(gè)性化定制。

　　3D打印技術(shù)的原理與普通打印機的基本相同，將裝有液體或細胞等“生物材料”，與電腦連接后，通過(guò)電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計算機上的藍圖變成實(shí)物。

　　今 年8月，杭州電子科技大學(xué)生物工程專(zhuān)業(yè)的徐銘恩教授帶領(lǐng)團隊，研發(fā)出了國內首臺生物3D打印機，能夠直接打印出人體活細胞。利用這些細胞的基礎，打印機還 可以打印諸如骨骼修復器件、人工器官等生物材料。這些從打印機里誕生的材料，將來(lái)可以幫助人們進(jìn)行組織修復，臟器移植，美容整形。

　　這臺生物 3D打印機，除了可以打印多種生物材料，還能打印人體活細胞，從而直接打印出“活”的組織。打印出來(lái)的臟器，如骨骼、血管等，最珍貴的“品質(zhì)”是要能和人 類(lèi)“相生相依”。首先要讓人體接納它們，然后實(shí)現相應的組織和器官功能。徐銘恩表示，部分打印出來(lái)的組織融合試驗，已經(jīng)在老鼠身上獲得成功�！暗�是，目 前，我們的打印機，打印出來(lái)的單元器官，‘塊頭’要比人體真正的器官大5倍，并且能打印的活細胞種類(lèi)還不多，包括后期要怎樣使得各種活細胞自然組合、共同 生成人工臟器，我們可能還需要至少10年的時(shí)間�！�

　　宏基因組學(xué)測序技術(shù)

　　長(cháng) 期以來(lái)，對微生物(microorganism)功能開(kāi)展的研究主要依賴(lài)的都是以在實(shí)驗室里培養的單一物種(individual specie)為對象獲得的研究成果。大約在10年前，科研人員們開(kāi)始獲得自然環(huán)境中存在的、非人工培養的細菌或古細菌(archaea)的基因組草圖， 這些基因組數據為科研人員們了解這些微生物在自然環(huán)境中的作用打開(kāi)了一條新的渠道。這就是所謂的宏基因組學(xué)(metagenomics)技術(shù)，該技術(shù)的發(fā) 展現在已經(jīng)可以做到從多個(gè)不同的環(huán)境樣本中快速、準確地獲得環(huán)境微生物的基因組序列。這些成果有可能會(huì )徹底顛覆我們對生命之樹(shù)結構，以及各個(gè)物種代謝能力 的理解和認識。生物信息學(xué)的飛速發(fā)展也提供了另外一種便利，由于能夠全面了解遺傳信息和數據，所以能夠快速地為這些宏基因組數據在醫學(xué)診斷、農業(yè)、法醫以 及生物技術(shù)等應用領(lǐng)域里找到合適的位置和用途。

　　宏基因組學(xué)技術(shù)是一種不需要進(jìn)行微生物培養的微生物研究方法，可以直接對取自環(huán)境里的微生物 樣品進(jìn)行分析和研究。整個(gè)流程是先將樣品里的DNA提取出來(lái)，進(jìn)行測序，然后用計算機軟件對測序結果進(jìn)行分析。這種方法至少解決了兩個(gè)非常重要的問(wèn)題。首 先，該技術(shù)能夠讓我們對大自然里99%的微生物(這些都還是沒(méi)能在實(shí)驗室里成功培養的微生物)進(jìn)行分析和研究。其次，可以對整個(gè)大環(huán)境里的微生物進(jìn)行研 究。

　　隨著(zhù)測序技術(shù)不斷發(fā)展，測序的速度、精度、信息豐富程度都有了大幅度的提升，高通量的宏基因組學(xué)技術(shù)也逐漸具備了給要求更快、更準確、 特異性更高的整個(gè)測序診斷領(lǐng)域帶來(lái)革命性改變的能力。更重要的是，如果掌握了生命之樹(shù)中很多之前還沒(méi)有被發(fā)現的基因組信息，將極大地豐富我們對生命和進(jìn)化 歷程的認識和了解。

　　產(chǎn)前DNA檢測技術(shù)

　　2013年1月7日，全球銷(xiāo)量最大的DNA測序儀生產(chǎn)商、美國Illumina公司以3.5億美元收購了Verinata公司。吸引Illumina的是Verinata的先進(jìn)技術(shù)：對未出生胎兒進(jìn)行DNA測序。

　　Verinata 是美國快速發(fā)展的產(chǎn)前DNA檢測市場(chǎng)中使用Illumina測序儀的四家公司之一。該公司采用的新檢測技術(shù)是通過(guò)一小管母親血液中痕量的胎兒DNA而檢測 唐氏綜合癥。在以前，唐氏綜合癥檢測意味著(zhù)要從胎盤(pán)或羊水中獲取胎兒的細胞，這些方式都具有一定的流產(chǎn)風(fēng)險。

　　這種無(wú)創(chuàng )篩選技術(shù)更加安全方 便，使得產(chǎn)前DNA檢測很容易被接受，因此也成為Illumina測序儀在醫學(xué)上的一個(gè)重要的新應用，而在此之前，測序儀主要用于實(shí)驗室研究。 Illumina公司總裁杰伊•弗拉特利預計在美國每年將有200萬(wàn)女性進(jìn)行這種檢測，占了所有孕婦數量的一半。

　　唐氏篩查可能還僅僅是產(chǎn)前DNA測序的開(kāi)始。一些和Verinata一樣推出唐氏綜合癥檢測的實(shí)驗室和公司還宣稱(chēng)他們已經(jīng)掌握了如何從母親的血液中獲取更多信息，包括胎兒全基因組序列。這是技術(shù)上的突破，可能也是商業(yè)的突破。

　　PCI意識測量技術(shù)

　　對 于大多數人而言，意識和無(wú)意識狀態(tài)很容易區分，但對一些腦損傷患者來(lái)說(shuō)，兩者之間就很難區分了。今年8月， 神經(jīng)學(xué)家們設計出一種腦活動(dòng)單一度量標準，將有助于區分不同的意識狀態(tài)，并指導腦損傷患者的醫學(xué)治療。目前，相關(guān)研究報告發(fā)表于Science Translational Medicine期刊上。

　　一種理論認為，在有意識的大腦中，每個(gè)不同的神經(jīng)元群都在起著(zhù)其自身的特定的計算作 用，但它們也仍然能夠與其他神經(jīng)元群進(jìn)行溝通。換言之，它們會(huì )互動(dòng)并計算。當大腦失去這種復雜性時(shí)，神經(jīng)元或者會(huì )變得更為均一，或者它們的溝通能力受到損 害。意大利米蘭大學(xué)的教授Marcello Massimini博士帶領(lǐng)的研究團隊以此為線(xiàn)索設計出一種腦活動(dòng)單一度量標準，將有助于區分不同的意識狀態(tài)。

　　在最新的研究 中，Massimini研究小組提出一種新方法來(lái)檢測大腦復雜性，即有多少信息流動(dòng)正在大腦中發(fā)生。該方法被稱(chēng)作擾動(dòng)復雜性指數(PCI)。在整個(gè)過(guò)程 中，研究人員使用一個(gè)強力的磁刺激對整個(gè)大腦進(jìn)行一次輕微的“震動(dòng)”，并記錄神經(jīng)元的反應。PCI可以區別以上所有的狀態(tài)。這種指數是基于對EEG復雜的 數學(xué)分析，從0至1評判人們的意識性水平。研究中完全清醒的病人的PCI為0.6以上，處于輕度睡眠的病人PCI約為0.4，而處于深度睡眠的病人的 PCI大約為0.2。被麻醉的被試者PCI低至0.12，這意味著(zhù)他們處于無(wú)意識的深度狀態(tài)。麻醉強度越大，PCI值越低。

　　Massimini認為，基于對大腦復雜性產(chǎn)生的效應，PCI技術(shù)無(wú)需患者從事任何有關(guān)感覺(jué)、運動(dòng)或認知的任務(wù)，可以客觀(guān)的同時(shí)從數量角度評價(jià)藥物或者大腦刺激療程的功效。因此，該技術(shù)能夠幫助內科醫生檢測治療的效果。

　　基因芯片技術(shù)

　　目前大部分基因芯片的應用目前仍?xún)H限于科研水平，這項技術(shù)似乎已轉向應用于個(gè)體化醫療的臨床應用。事實(shí)上，一些產(chǎn)品已經(jīng)能用于醫學(xué)診斷，并且有更多的產(chǎn)品已經(jīng)在研發(fā)當中。未來(lái)，這一技術(shù)將很可能成為科研和臨床應用中一項很有用的工具。

　　通 過(guò)現有的技術(shù)，人們可以輕而易舉地從基因組中收集信息，而棘手的方面在于如何解析這些信息的臨床相關(guān)性。華盛頓大學(xué)圣路易斯醫學(xué)院基因組技術(shù)促進(jìn)中心聯(lián)合 主任Seth Crosby發(fā)現，隨著(zhù)時(shí)間的推移，臨床醫生可能會(huì )開(kāi)始掌握哪些基因組的變化會(huì )影響病人的健康，而哪些是無(wú)害的。他說(shuō)：“一旦這些相關(guān)和不相關(guān)基因的列表 范圍逐漸縮小，而我們也領(lǐng)會(huì )到哪些多態(tài)性是重要的，這就可以用來(lái)打造非常廉價(jià)的芯片，有助于疾病的檢測�！�

　　除了經(jīng)濟上的優(yōu)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(méi)有變異的”。因此，通過(guò)基因芯片，“我們可以只收集我們所需要的數據�！�

　　為了將基因芯片應用于臨床診療，醫生們需要那些經(jīng)過(guò)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(jīng)FDA認證的診斷工具，是利用昂飛芯片去判定病人癌癥起始的組織類(lèi)型，如乳腺或結腸。

　　除 了可以用于研究個(gè)體的遺傳特征外，基因芯片還可以用于探索不同群體和培養物間的遺傳差異。例如，加州圣地亞哥Illumina公司研發(fā)出了名為 Infinium HumanCore BeadChip的基因芯片家族，能夠提供群體水平或生物樣本庫研究的解決方案。這些基因芯片能夠容納大量的樣本，讓科研人員可以實(shí)現強大的統計分析，這 些分析能夠揭示健康和疾病群體間遺傳變異分布的差異。為了趕上技術(shù)的改變，一些公司開(kāi)始提供服務(wù)，未來(lái) 基因芯片將會(huì )繼續服務(wù)于基礎研究，并提供基因組學(xué)相關(guān)的臨床工具。最終，基因芯片將會(huì )在其功效發(fā)揮最出眾的領(lǐng)域繼續前進(jìn)。

　　快速癌癥檢測技術(shù)

　　今 年11月17日，清華大學(xué)生命學(xué)院羅永章教授研究組在國際上首次發(fā)現Hsp90α(熱休克蛋白90α)為一個(gè)全新的腫瘤標志物�；颊咧恍杼峁┮恍┭�液，通 過(guò)試劑盒檢測，即可用于病情監測和治療效果的評價(jià)，為指導腫瘤個(gè)體化治療提供輔助依據。自主研發(fā)的Hsp90α定量檢測試劑盒已通過(guò)臨床試驗驗證，獲得了 國家第三類(lèi)(最高類(lèi)別)醫療器械證書(shū)，并通過(guò)了歐盟認證，從此獲準進(jìn)入中國和歐盟市場(chǎng)。

　　這是人Hsp90α被發(fā)現24年來(lái)，全球首個(gè)將其用 于臨床的產(chǎn)品，對于提高腫瘤患者的病情監測和療效評價(jià)水平、實(shí)現腫瘤個(gè)體化治療具有重要推動(dòng)作用。2011年，美國國家癌癥研究院公布了全球31個(gè)被明確 用于癌癥檢測的產(chǎn)品，其中以血液為檢測對象的有17個(gè)，均由外國科學(xué)家發(fā)現和定義，至今尚無(wú)中國自主發(fā)現的腫瘤標志物在臨床中被廣泛應用和認可。羅永章課 題組在重大科學(xué)發(fā)現的基礎上，與普羅吉生物科技發(fā)展有限公司合作，攻克了一系列技術(shù)難題，成功研發(fā)出了性能穩定的“Hsp90α定量檢測試劑盒”，并通過(guò) 2347例臨床試驗，成功證明Hsp90α是肺癌相關(guān)腫瘤標志物，可用于患者病情監測和療效評價(jià)。同時(shí)，Hsp90α腫瘤標志物具有廣譜特性，其用于肝 癌、乳腺癌、結直腸癌、前列腺癌、胰腺癌、胃癌等其他多個(gè)瘤種的臨床試驗也將在近期完成。

　　羅永章介紹說(shuō)，與其他腫瘤檢測手段相比，腫瘤標志物更方便快捷，成本也大大降低�；颊咧恍枞∫坏窝�液，通過(guò)“Hsp90α定量檢測試劑盒”檢測血漿中Hsp90α的含量，即可用于病情監測和治療效果的評價(jià)，為指導腫瘤個(gè)體化治療提供輔助依據。