2016生命科學十大黑科技，貴實驗室用得起嗎？

科學進步所依賴的因素，按先後順序可能是這幾個：新技術，新發現，新思想。

——悉尼·博倫納

來源The Scientist

編譯張暢 趙維傑

物理學離不開對撞機；天文學離不開望遠鏡；生物學離不開 PCR 儀。在人類科學進步的歷程中，新技術的出現是新發明和新思想誕生的基石和前奏。

歲末年初，The Scientist雜誌照例評選出了2016年生命科學領域的十大技術/儀器創新成果。其中既有足以顛覆基礎生命科學研究、新葯研發和臨床檢驗的新平台，也有在既有技術基礎上更進一步的重要新產品。

值得一提的是，今年的10大創新成果榜單中，出現了更多與臨床相關的發明。3D列印腎臟在培養皿中重現了人體器官的各項性質，精密設計的檢測系統可以同時量化檢測多個樣品中多種類型的生物標記物：這些成果不僅可以助力實驗室研究，也將改變我們的臨床實踐。這些進步讓我們明白，技術創新所能造福的不僅僅是製造業、發明者和學術界，也包括全人類。

第十名

Thermo Fisher Scientific 公司

GeneArt Platinum Cas9 核酸酶

Thermo Fisher Scientific 公司在 CRISPR 試劑方面的一項突破成果——GeneArt Platinum Cas9 核酸酶，入選了今年的十大創新成果。在大腸桿菌中純化的重組釀膿鏈球菌（Streptococcus pyogenes）Cas9 蛋白，即 GeneArt Platinum Cas9 包含了一段核定位序列，使其可以進入靶細胞的細胞核中。

「我們一直堅信，穩定的性能、活性和純度是十分重要的，」Thermo Fisher 的高級科學家、基因編輯工具和合成生物學研發經理 Jason Potter 說，「所以我們通過大量的檢測，保證我們擁有十分穩健的純化過程。」Thermo Fisher 下屬 Potter 團隊於2015年發表了一篇文章，顯示 GeneArt Cas9 在多種細胞系中表現出高達85%的切割率（J Biotech, 208:44-53, 2015）。

斯坦福大學幹細胞生物學家 Matthew Porteus 在他利用體外基因編輯治療血液疾病的研究中，使用了 GeneArt Platinum Cas9。目前他還在小鼠細胞中進行實驗，但已經與 Thermo Fisher 公司達成了合作關係，希望將成果推向臨床試驗。在使用 CRISPR/Cas9 系統進行高效特異的基因編輯時，「我們遇到的問題是，已有的商業化 Cas9 酶是有毒性的，」他說。「[GeneArt Platinum Cas9] 現在已經成為了一種金標準，讓我們能夠獲得其他試劑無法實現的結果。」

25 μg 包裝的 GeneArt Platinum Cas9 核酸酶售價150美元，顧客還可以聯繫 Thermo Fisher 的專家尋求實驗設計幫助或討論操作流程。Thermo Fisher 副總裁，生物合成業務總經理 Helge Bastian 說：「做基因編輯這一行的小技巧就是，手把手的告訴顧客用量和方法，告訴他們如何去獲得更好的結果。」

WILEY：該技術避免了基於載體的 Cas9 表達，至少在特定細胞系中大大加快了典型 CRISPR-Cas9 系統的工作流程。

第九名

Photometrics 公司

Prime sCMOS 照相機

有了現代顯微鏡，研究者們還需要高性能的照相機來記錄樣品圖像。「每一年，這些照相機都變得越來越好，」Photometrics 產品經理 Rachit Mohindra 說（Photometrics 是一家專註於顯微鏡照相機和其他生命科學研究用圖像系統的公司），「它們基本上可以說是完美的。」要提升它們的完美程度是一項艱巨的任務，但是他認為他和他的團隊通過4.2兆像素 Prime sCMOS 照相機做到了。

這款產品在2016年初發布，其內置演算法可降低散粒雜訊（光學顯微鏡成像的固有波動），這個過程不需要獲取多個臨時圖像後綜合處理，也不需要增加激光強度而破壞樣品。Mohindra 說：「有了這個照相機，就可以保持低強度光照，讓被觀察細胞存活更久，獲得更好的數據。」Prime照相機將信噪比提高了三到五倍，「這相當於把光強降低了10倍。」

Prime sCMOS 照相機的內置演算法還可以減少研究者需要採集數據的總量，縮短處理和分析時間。Mohindra 說：「不聯網的情況下，每幀圖片需要30秒的處理時間。」「如果你的照相機每秒可以攝取100幀，那麼就需要花費5分鐘來處理這1秒鐘的數據。」但是如果使用 Prime 照相機，可以立即完成處理過程。

「Photometrics 公司 Prime sCMOS 照相機的實時過濾和高幀性能，甚至可以使其捕捉到超解析度顯微鏡的圖像，更好的顯示染色體結構變化，」瑞士洛桑聯邦理工學院的 Kyle Douglass 在公司網站上寫到。這款照相機售價15,950美元。

STR?MVIK：高質量科研圖片需求的增長伴隨著對信息處理能力需求的增加。在照相機上安裝現場可編輯邏輯門陣列是一條可行之路。

第八名

Horizon Discovery 公司

Turbo GFP 標記 HAP1 細胞

Horizon 公司的 HAP1 細胞已經連續三年入選年度十大創新成果榜單。2014年，CRISPR 編輯敲除細胞系入選（後被 Haplogen 公司出售）；2015年，用戶定製敲除細胞系入選。2015年10月，Horizon 推出了 Turbo GFP 標記 HAP1 細胞，這種可在無需過表達特定基因的情況下對目的蛋白進行熒游標記的細胞系入選2016年度十大創新成果。

Horizon 公司細胞系高級產品經理 Daniella Steel 說，相比於抗體標記，該技術的最大優勢在於其簡便性。「有別於抗體技術，使用該技術不需要鑒定和優化，可以直接對活細胞進行觀察。」

瑞典皇家理工學院的 Emma Lundberg 最近正在她的人類蛋白質圖譜項目的工作中使用這種細胞。Emma 主管共聚焦顯微鏡下蛋白質亞細胞定位工作，她說基因的過表達有時會導致蛋白定位的假陽性或假陰性結果。「而現在你能看到你的標記物在哪裡，並且知道它們是內源表達的，」她說，「HAP1 細胞操作起來很簡單，很適合細胞成像工作。」

由用戶定製的此種細胞系售價3,400美元，製作周期大約16周。Horizon 還推出了一些用熒游標記蛋白標記特定細胞器的細胞系，售價1,450美元。Lundberg 認為，考慮到實驗室中培養和鑒定細胞所花費的時間，這個價格很合理。

Platt：這種基因改造細胞的進步在於，利用 CRISPR-Cas9 技術，這種細胞用 Turbo GFP 來標記基因……無需後續的免疫標記操作。

Fishman：利用 CRISPR-Cas9 自釋放標籤，使用者可以得到 Turbo GFP 標記的蛋白。蛋白質的內源性標記優於外源性標記，並且更加可靠和經濟。

第七名

908 Devices 公司

ZipChip 微流體可分離質譜介面

ZipChip 是一款從本質上加速了質譜分析方法的微流體設備，它將所需樣品體積最小化，同時拓展了質譜分析可處理的樣本範圍。這個不足一英尺長的小盒子可以直接接入質譜儀，並通過其內置的載玻片大小的微流體晶元對樣品進行處理。

通常，準備質譜樣品是一個耗時且容易出錯的過程。ZipChip 減少了潛在複雜情況的發生。908 Devices 共同創始人，ZipChip 開發者 Chris Petty 說，「使用我們的前端設備，樣品幾乎不需要經過任何準備過程，即使樣品中含有鹽粒子、去垢劑或者其他基質，檢測過程都不會受到影響。」

Petty 說，使用毛細電泳法，ZipChip 可以在兩到三分鐘內分離出樣品中的化合物，而液相色譜法需要長達一個小時。她還說，這一設備提供了更好的樣品分離方法，可以對蛋白質、抗體以及抗體藥物複合物等較難分離的分子進行分離。而且這種方法只需要幾納升樣品。目前該設備售價30,000美元，配備自動進樣器另加20,000美元。

紐約大學代謝組學研究者 Michael Pacold 說，將 ZipChip 引入實驗室拓展了他的研究項目，ZipChip 能夠更加快速的獲得數據，也可以測量更多來源的樣品。「許多臨床研究都只能從樣品庫中獲得幾微升的血漿樣本，」他說，「如果沒有 ZipChip 這樣的技術，這些實驗不可能開展。而現在不可能已經成為了可能。」

Platt：毛細管電泳、樣品分離和直接向質譜單元加樣使小體積樣品（ZipChip 可用幾納升）測定成為可能，並且可能在減少準備時間的同時降低檢測成本、提高樣品識別率。

Unger：這一發明使用集成微流體技術作為質譜分析的前端，極大的提升了質譜分析的速度，同時還保留了樣品的完整性。這將進一步促進質譜技術的普及，使其在研究領域和生物醫療領域得到更廣泛的應用。

第六名

NanoStringTechnologies 公司

nCounter Vantage 3D Panels

2008年 NanoString 首次推出了 nCounter 分析系統，這個可以識別特定分子熒光條形碼的自動化顯微成像系統，可以對 mRNA 進行單分子定量檢測。NanoString 計劃將該技術從 mRNA 拓展至 DNA 序列和蛋白質的單分子定量。2016年，該公司終於達成這一目標，推出了 nCounter Vantage 3D Panels。

「升級後的 Vantage 檢測系統可以對 mRNA、DNA、蛋白質甚至蛋白質磷酸化位點進行電子計數，」NanoString 研發部高級副總 Joe Beechem 說。2016年4月，NanoString 推出了第一款 Vantage 檢測系統，該系統可用於對肺癌和白血病樣本的 RNA 電子計數，也可用於實體瘤釋放的蛋白質和免疫細胞信號分子，以及 DNA 單核苷酸位點突變的檢測。

德克薩斯大學 MD安德森腫瘤中心系統生物學部主任 Gordon Mills 幫助研發了 Vantage 系統，並在安德森腫瘤中心扎耶德研究所將其應用於癌症的個性化治療。「可用於實驗室檢測的平台很多，」他說，「但是沒有一個能夠和 nCounter Vantage 一樣擁有結果穩定性和操作簡便性，並且可以同時檢測患者樣本中的DNA、RNA 和蛋白質。」

nCounter 分析系統售價149,000至280,000美元，使用 nCounter Vantage 3D Panels 測量單個樣本需花費275美元或更多。不久的將來，NanoString 和 Mills 實驗室計劃推出能在單細胞水平上測繪生物分子空間分布的新版 Vantage 系統。

Wiley：這項技術可以同時測量少量樣品中的 DNA、RNA 和蛋白質丰度，憑藉這一點，它有可能成為今年最大的技術突破。

Str?mvik：這項技術推動了當前的腫瘤學研究，將來還有可能被應用於其他領域。這是一台能夠測定多達800種指定 DNA、RNA 或蛋白質的設備。

第五名

Thermo Fisher Scientific 公司

LentiArray CRISPR 文庫

CRISPR-Cas9 技術非常實用，被譽為使基因編輯大眾化的革命性技術。Thermo Fisher Scientific 公司的 LentiArray CRISPR 文庫於2016年9月面世，使這一技術在篩選性實驗中的應用變得更加方便。該公司推出了一系列試劑，當它們被加入到任何人類來源細胞（無論是海拉細胞還是誘導多能幹細胞）中時，每個細胞中會有一種基因被 CRISPR 敲除。

美國西北大學的 Simone Sredni 主要研究一種名為惡性橫紋肌樣瘤的高侵襲性兒童腫瘤，最近她參與了該文庫的黑盒測試。Simone 使用這一技術來篩查160種激酶突變後患者腫瘤細胞中產生的變化，從而找出影響細胞增殖和生長的突變。三個月後她得到了大部分的數據，並且發現了一些突變後可以減慢細胞生長的基因。「真的很快，」她說。僅僅用了一年多一點的時間，她就已經開始使用動物模型在體內測試這些激酶抑制劑的效果了。「如果沒有這種篩查技術，我是絕對不可能做到的。」

該文庫有多個版本。用戶可以從19個不同的基因集中任意挑選，定製屬於自己的篩選方案，或者對18,000個基因進行無差別篩選。「它不僅是市場上最高效的篩查技術，還在為不同需求構建不同實驗方案上給出了很大的可操作空間，」Thermo Fisher Scientific 合成生物學研發部高級主管 Jon Chesnut 說道。

Sredni 說，每個文庫售價10,000美元，可能有點小貴，但是對於想要從事高效篩選的實驗室來說，物有所值。

Str?mvik：任何將 CRISPR 技術帶入高通量水平的工作都是值得關注的。

Wiley：這是一個很好的輔助系統。雖然你也可以自己組建文庫，但這個系統提供了一種尋找基因生理功能的合理方法。

第四名

Axion BioSystems 公司

Lumos 光傳輸系統

Axion BioSystems 公司於2015年10月發布的新產品 Lumos 光傳輸系統，讓體外光遺傳學操作變得更加精確和可重複。該裝置上有48個孔，每孔中有4個可獨立控制的 LED 燈，可以分別以百萬分之一秒的精度閃出不同波長的光（藍、綠、橙和紅色）。將裝置放置在下方配有記錄儀的微陣列培養平皿之上，研究者可以利用設置好的程序對多個培養體系中的細胞進行刺激、操縱和測量。

哥倫比亞大學遺傳學家 David Goldstein 正在使用 Lumos，他利用這一技術研究帶有不同致癲癇突變的體外培養人神經元細胞網路。他說：「長期以來，在癲癇精準醫療的大環境下，我們都在尋找一種中等複雜度，但是仍然高效的，可供我們篩選化合物的體外模型。」

體外培養神經元網路傾向於同步產生突觸放電，這就大大減少了研究者們能從這一體系中收集到的神經元行為數據。「更加複雜的細胞交流行為可能會揭示突變的致病機制，想要獲得這些信息，我們就需要調製和測量神經元的行為。」Goldstein 同時表示，他對 Lumos 在接下來一年中的表現十分期待。「這個系統能幫我們做到這些。」

Lumos 售價26,000美元。

Unger：這一高通量光學激發系統是逐漸成形的生物光子學領域中的首個大規模實用裝置。

Platt：這個平台……賦予研究者們精確掌控的能力。多光頻大功率 LED 燈增加了光刺激的可控性，為研究特異性光控蛋白創造了更多的操作空間。

第三名

Pacific Biosciences 公司

Sequel 測序系統

Sequel 測序系統是 Pacific Biosciences 公司最新推出的一款單分子、實時（SMRT）測序儀，這款新測序儀的體積和重量不到該公司原始款長讀長測序儀（long-read sequencer）的三分之一，而價格則是其一半。

Sequel 在2015年秋季首次亮相，它可以提供與其同公司前輩 SMRT 測序儀 PacBio RS II 一樣的長讀長單分子測序服務。紐約市西奈山伊坎醫學院的 Robert Sebra 從2015年10月開始使用這一系統，他認為與 PacBio RS II 相比，Sequel「是一款更高效的 SMRT 測序儀，在相同時間中可以得到更多的數據，滿足更大規模的基因組學和生物學研究對分子層面的更高要求，同時也可以更加高效的進行宏基因組樣本的分析。」

2007年到2012年，Sebra 在 PacBio 公司工作的六年時間中，使用 SMRT 技術進行過多種實驗研究，其中還包括人類基因組從頭測序。「這種技術非常靈活，不管是用於研發（R&D）還是產物測序都很好用，」他說。「本質上來說，這一技術沒有系統誤差，可以在長讀長測序中得到高質量的數據，從而更容易發現那些之前未被描述過的基因。」

Sequel 測序技術在宏基因組學研究和感染性疾病研究中也有部分應用。Jonas Korlach 是 PacBio 公司的首席科學官，也是 SMRT 測序技術的共同發明人（Nature, 538:243-47, 2016），他說這項技術最近被應用於製作一個韓國個體的參考基因組序列。2016年10月，萬種脊椎動物基因組計劃（G10K）和萬種鳥類基因組計劃（B10K）的領導者都積極宣布，將選擇 SMRT 測序技術作為他們的一項主要技術。

350,000美元的價格使得 PacBio 測序儀能夠被更多的實驗室接受。Korlach 說：「現在的 SMRT 已經人人可用了。」

Fishman：Sequel 測序系統是在 Pacific Biosciences 之前版本基礎之上的一大進步，它有更高的效率、更大的延展性，同時價格更加低廉。

Str?mvik：雖然小型的實驗室仍然負擔不起，但這樣的高效長讀長測序技術是任何大型複雜基因組學研究、宏基因組學研究和宏轉錄組學研究都必不可少的。

第二名

Organovo 公司

ExVive 3D 列印人類腎臟

評估候選化合物是否具有腎毒性是藥物研發的一個重要環節，但原有的細胞模型和動物模型只能近似的模擬人類腎臟。Organovo 公司研發的 ExVive 人類腎臟組織使用 3D列印技術構建，能夠模擬人類腎臟近曲小管。這一發明為藥物研發者提供了可靠的腎毒性測試方法。

目前為止，幾乎沒有臨床前實驗可以確定潛在藥物是否具有針對人類的毒性，這使得臨床試驗變得危險。識別腎毒性可以減低臨床試驗的風險。更重要的是，「這意味著可以保護參與臨床試驗的患者免受傷害，」Organovo 首席科學官 Sharon Presnell 說。

3D生物列印與 3D塑料列印原理大致相同，Presnell 解釋道，「不過我們放入印表機中的是小量聚合的細胞，而不是高分子聚合物粉末。」2014年，Organovo 出品的 ExVive 肝組織就在當年的十大創新成果榜中佔據了一席之地，該公司依據具體合同為用戶提供組織樣本，具體價格根據客戶需求的數量和種類有較大範圍的浮動。

Presnell 還說，替代性腎組織不僅可以用於毒理學研究，也可以為不能通過其他手段實現的腎組織研究提供平台。

Ardea Biosciences 公司的新陳代謝和藥物代謝動力學研究人員 Caroline Lee 對這種人造腎臟組織的轉運蛋白表達進行了描述性研究，她表示：「這種組織的表現和真實腎臟組織幾乎完全一樣」。她發現組織中的定向轉運蛋白可以正確地排列在膜上。「你可以看到藥物沿著正確的方向被轉運，」她說。「這很了不起。」

Unger：這種從形態和功能上複製腎組織的方法十分新穎和大膽，這一發明打破了傳統細胞培養模式在組織層面對藥物毒性評估的限制。

Fishman：這種技術可以用以替代臨床前動物實驗，減少我們在新葯測試中對實驗動物的依賴。通過在新葯腎毒性測試中更好的模擬人類腎臟的生物學特性，它具有改變藥物研發過程的可能。

第一名

ProteinSimple 公司

Milo 單細胞蛋白質表達定量分析系統

能夠進行單細胞蛋白質印跡（Single-cell Western blotting）的儀器已經上市。這款名為 Milo 的台式儀器由加州大學伯克利分校的 Amy Herr 研究組發明，可以一次性對1,000 個單細胞中的特定蛋白質進行檢測。使用者將細胞懸液滴加到一個1乘3英寸的玻璃載玻片上。這個特製的載玻片上覆蓋著一層30微米厚的凝膠層，在其表面有約6,400個微孔。當細胞被滴加在凝膠層上時，細胞將進入這些微孔，有些微孔中會沒有細胞，而大約1,000個微孔會被單個待測細胞填充。加入裂解細胞和使蛋白質變性的試劑後，施加電流使蛋白質進入孔間的凝膠中，並用紫外線激活凝膠中的化學試劑，使蛋白質被鎖定在其中。

Herr 實驗室畢業研究生，ProteinSimple 公司現任市場總監 Kelly Gardner 說：「傳統的蛋白印跡檢測不能體現細胞間的異質性，因為傳統技術是從集體層面分析樣本的。Milo 讓研究者們可以區分細胞亞群。」2014年6月對這項技術的概念描述首次發布時，學術界就對其產生了廣泛的興趣。在這種熱烈響應的激勵下，Herr、Gardnerand 和他們的同事 Josh Molho 創建了 Zephyrus Biosciences 公司，2016年3月該公司被 ProteinSimple 公司的母公司 Bio-Techne 收購。Bio-Techne 拒絕公開 Milo 的準確報價，但宣稱每台 Milo 的價格與台式流式細胞儀相近，有意購買的研究者可以通過網站詢價。由於產品剛剛問世，目前公司也還無法提供用戶評論。

Unger：新型的特製蓋膠玻片省去了轉膜的步驟，並且可以同時進行上千個單細胞的高效大規模分析。隨著儀器價格的下降，對很多問題蛋白（例如電泳能力較差的蛋白）進行更加細緻高效的研究成為可能，研究者們也能獲得更多關於單細胞響應的信息，這是現在研究中非常重要的領域。

Fishman：這是對已知技術進行低成本小空間改造一個榜樣。通過同時測量細胞間蛋白質表達的異質性，這一技術大大節省了研究者的時間。

評審小組成員

JENNIFER FISHMAN

麥吉爾大學生物醫學倫理學部、醫學社會學系副教授，社會學系及健康與社會政策研究所成員。畢業於加州大學舊金山分校，獲得社會學博士學位。

H. STEVEN WILEY

西太平洋國家實驗室資深研究員。參與建立了最早的部分受體調節計算機模型，因其在多種生物化學和光學定量分析方法方面的研究而聞名，這些模型和方法是評價細胞進程的基礎計算模型。

MANU PLATT

喬治亞科技大學副教授，喬治亞理工大學Coulter生物工程學專業及艾莫利大學招生招聘主任。主要研究組織重塑、系統生物學，並藉助計算和實驗對多種疾病進行研究。

BARRY UNGER

波士頓大學行政管理副教授。創建或任職於庫茲威爾電腦（即後來的 Xerox Imaging Systems）等多家公司。他還是MIT企業論壇的共同創始人和榮譽主席。

MARTINA STR?MVIK

麥吉爾大學副教授、麥吉爾生物信息中心植物學系主任。主要從事玉米和森林植物基因表達後功能學解剖結果研究。

最終結果由評審小組從眾多公司及使用者提名的入圍產品中評選得出。評審小組完全獨立於The Scientist雜誌，並對生命科學研究儀器及技術高度熟知。小組成員均與參評公司及產品無任何財務關係。