往年，The Scientist 杂志评选的十大创新科技产品主要来自于实验室，这些技术往往是探索基础生物学的最新工具。但是 2020 年 COVID-19 的大爆发导致大量生物学家将目光转向 SARS-CoV-2 病毒，因此，今年 The Scientist 杂志的评选结果中纳入了多项旨在解决 COVID-19 的技术。
今天，我们特别为大家介绍今年 The Scientist 评选出的十大创新科技产品。需要特别说明的是，由于今年竞争激烈，部分产品和技术存在一定关联，所以最终的评选结果实际上包括了 12 种技术和产品。
在新冠方面的应用凸显了 Celium 平台在生物学和人工智能交叉领域的真实作用，其能够以惊人的速度发现新的抗体。2020 年 3 月底，生物科技公司 AbCellera 聚集了 40 多位研究人员共同分析他们收集到的关于 SARS-CoV-2 潜在抗体的数据。利用 AbCellera 的高通量微流体技术和单细胞分析工具探测 COVID-19 患者的样本，该公司破译出了数百种可能治疗这一疾病抗体编码序列。但是，筛选这些数据的过程非常繁琐，因此该团队将其输入到可视化工具 Celium 中，该工具可以分析这些抗体中超过一百万个高质量数据点，以寻求在患者体内效用最佳的抗体作为潜在治疗方法。研究人员使用 Celium 对数据进行了分析，最终发现了 LY-CoV555 抗体。数月后，作为 COVID-19 的潜在治疗方法，该抗体进入临床试验。AbCellera 数据可视化主管及 Celium 的开发者 Maia Smith 说：“我认为这说明了一切。”
加州帕洛阿尔托 Kodiak Sciences 的蛋白质工程师 Fernando Corrêa 表示，利用 Celium 平台将数据可视化，可以帮助你找到满足需求的正确分子。目前，他正与 AbCellera 合作，寻找治疗视网膜疾病的抗体。另外他还表示，AbCellera 公司的微流体技术、单细胞分析和数据可视化相结合的工具包，以一种用户友好的方式简化了抗体发现的过程。
ID NOW 系统在 15 分钟以内就能够得到鼻咽拭子的 COVID-19 检测结果，这让医院、学校等场所能够进行快速检测，并决定哪些人需要居家隔离。由于这一设备轻巧便携，所以可以就地使用或在移动场所（如汽车餐厅测试点）使用。自 2014 年起，雅培的 ID NOW 系统就开始帮助医生们进行一些病毒的检测。该系统可以在 15 分钟内检测出甲型和乙型流感病毒，链球菌 A，呼吸道合胞病毒（RVS）以及最新的 SARS-CoV-2 病毒。这种设备的大小与烤箱相仿，其原理是通过将鼻拭子样本置于酸性溶液加热，使病毒包膜被破坏，从而暴露出病毒 RNA。不同于 PCR 仪器的加热和冷却循环，ID NOW 系统可以在恒定温度下将 RNA 复制放大。去年三月，在 FDA 紧急批准用于 COVID-19 检测的名单中，ID NOW 是最早用于美国公众的检测方法之一。雅培传染病科学事务的主管 Norman Moore 表示，该测试的反馈时间较短，这对于阻止病毒的传播至关重要。“病毒在早期是最具传染性的，如果我们无法及时得到结果，换句话说就是两周后才获得分子检测结果，又有什么用呢？”美国已经有超过 23,000 台 ID NOW 设备投入使用，主要用于急诊室和药店。Moore 说，他的团队正在开发一种可以兼容用于其他感染性疾病（如性传播疾病）测试的设备。J.D.Zipkin 是 GoHealth 急诊的医疗主管，该公司与旧金山国际机场合作，采用 ID NOW 系统对出行人员进行 COVID-19 测试，这一测试改变了整个局面。他说：“雅培开发了一种能较好地检测特定疾病状态的设备平台，并将其应用于现在最大需求——新冠病毒之中。”
雅培公司的 ID NOW 系统每台需要 4500 美元，而 COVID-19 测试每次需要 40 美元。
BioLegend TotalSeq™-C
Human Universal Cocktail v1.0
这确实是一个很好的结合了二代测序技术和单细胞标记技术的产品，该产品利用这两种技术为单细胞定量蛋白质组学研究提供可能。2017 年，来自纽约基因中心的研究者们发布了一种名为 CITE-seq 的新方法，这种方法使得科学家们可以在进行单细胞转录组学研究的同时评估每个细胞中的蛋白质。CITE-seq 的原理是将抗体与寡核苷酸结合，然后通过对这些寡核苷酸进行测序来确定是否存在与相应的抗体结合的目标蛋白。生命科学公司 BioLegend 获得了 CITE-seq 的使用许可，并开发了 TotalSeqTM-C Human Universal Cocktail v1.0，其中集合了 130 种寡核苷酸连接抗体，可用于大规模筛选单细胞表面蛋白。该工具适用于 10X Genomics 单细胞测序平台。BioLegend 公司蛋白质组学负责人 Kristophor Nazor 说，与基于可视化方法鉴定靶蛋白的蛋白组方法不同，“这种方法对于你所筛选的蛋白质数量不再有理论上的限制。”他补充说，BioLegend 公司已经开始扩大抗体鸡尾酒（Cocktail）中的抗体数量。“这有利于获得非偏倚结果。”麻省总医院、哈佛医学院及麻省理工与哈佛大学联合学院的免疫学家和基因组学专家 Alexandra-Chloé Villani 说：“这在许多方面都具有开创性。”Villani 是人类细胞图谱免疫细胞部分的组织者之一，与许多研究者一样，今年着重于研究 COVID-19。她已经使用 BioLegend 的 Cocktail 来分析接近 300 个 SARS-CoV-2 检测阳性患者的血样。BioLegend 的 Cocktail 于 2020 年 8 月初以 5300 美元的价格出售（可以使用 5 次）。
“当你在同一个细胞中发现表面蛋白和 RNA，这真的有助于我们对这种免疫细胞做出更精准的定义，以更好地应对感染，”Villani 说，“事实上，我了解到，在美国和欧洲有很多同行也使用同样的数据来进行他们的 COVID-19 组学分析，这也意味着我们可以将我们所有的数据结合起来进行比较，这是难以想象的。”
Seven Bridges 向学术机构无偿提供 GRAF 这一举动，无疑为精准医学铺平了道路，因为它使得代表性不足的人群的研究得以发展，同时研究人员无需为此付出任何成本。2013 年公布的人类参考基因组是生物学领域的一个巨大飞跃，但要完全代表人类，这还远远不够。参考基因组是基于一小部分个体样本（主要来源于欧洲血统）建立的，然而我们的基因组中含有很多参考基因组中不存在的突变。为了解决人类遗传多样性的问题，生物信息学公司 Seven Bridges 开发了一个名为 GRAF 的基因组分析平台，该平台试图纳入任何给定位点上所有可能的遗传变异信息。而由此得到的 GRAF/Pan 参考基因组是一幅囊括了基因组中特定位点已知变异的图谱，而不是普通的线性参考序列（a linear reference sequence）。当基因组与 GRAF 参考序列进行比对时，任何缺失、插入、单核苷酸多样性或其他突变都不会像与线性参考序列比对时所发生的那样——被遗漏。Seven Brides 公司在 2020 年 6 月宣布，为了促进代表性不足的人群的基因组学研究，该公司决定向学术研究者免费开放 GRAF Germline 突变检测流程和 GRAF/Pan 参考基因组。该公司科学部主管 Brandi Davis-Dusenbery 说：“这是首个结合祖先信息和人类基因组多样性的工业级工作流程，能够提高比对结果，增加突变的发现。”“我们希望，通过分析其中的复杂性，看到你所忽略的东西，”伊坎山伊坎医学院儿童 Mindich 儿童健康与发展研究所主管 Bruce Gelb 说，“这个想法在我们脑海里存在了许多年，现在 Seven Bridges 终于实现了这种可以实际操作的基于图像的方法。他们是第一个这样做的。”
Gelb 一直使用 GRAF 平台来寻找与先天性心脏缺陷有关的突变，并将这些突变与他使用传统测序分析所得到的结果进行比对。他说，目前为止 GRAF 找到了一些其他方法可能会忽视的突变。
OXGENE TESSA 技术促进了基因疗法的转化，表现出生物工程的生物技术价值。
英国生物科技公司 OXGENE 的首席执行官 Ryan Cawood 说，限制细胞基因疗法应用的主要障碍在于制备腺病毒相关病毒（AAV）这一常见基因载体所需的高成本。“欧盟批准的第一个 AAV 基因疗法产品价格为每剂 100 万英镑，”他说，“如果你想要用一种针对大型器官的靶向疗法来治愈一种疾病，那么这种疗法确实可能惠及数千名患者，但是问题是你无法以低廉的成本生产出足够量的产品。”Cawood 说，目前，我们使用多种质粒转染人体细胞，以诱导后者产生含有特定基因的 AAV 载体。但是质粒的制造成本高昂，而且转染过程的效率也不高。虽然腺病毒感染诱导也可以细胞激活 AAV 的复制，但是问题在于，腺病毒同样也会自我复制，并对最终的 AAV 产品造成污染。为了解决这一问题，OXGENE 设计了一种基因开关，可以使腺病毒在生命周期的中途就终止它的活性，这样细胞就能够在不产生腺病毒的同时生产出 AAV 质粒。
Cawood 说：“加入病毒后，只有 AAV，而不会出现额外的腺病毒。”他补充道，OXGENE 公司于 2020 年 9 月份已经开始出售用于研究的病毒载体（名为 TESSA），并计划于 2021 年开始提供可供临床使用的产品。研究用的载体售价为 5000 英镑起，最终价格取决于被感染细胞的数量。
BioXp™3250 系统为实验室能够自主进行基因合成提供了循环时间更快、成本更低、生产量更高的选择。生物科技公司 Codex DNA 在 2020 年 8 月发布了 BioXp™3250 系统，这是 2014 年发布的 BioXp™3200 的后续版本。Codex DNA 公司的产品管理主管 Peter Duncan 说，按需进行 DNA 组装和复制的自动化平台让研究人员可以以前所未有的速度合成基因和基因组，这有助于推动疫苗、诊断学和治疗方法的发展。这种设备可以用于癌细胞或者多种感染源，其中包括 SARS-CoV-2。在没有 BioXp™3250 或其前身产品的情况下，想要合成 DNA 片段、克隆体和全基因组，实验室必须要把样品送给第三方处理。除了要应对运输问题之外，这样的处理可能需要数周甚至数月的时间。有了 BioXp™3250（售价 100,000 美元）之后，只需按下一个按钮，在几天内就可以组装出长度达 7000 个碱基对的 DNA 序列。消费者不需要为特定的实验在计算机上编写基因序列，而是可以订购一个大约 2 天内就能到货的模块。模块带有一个囊括了所有必需信息的条形码。当设备扫描模块的条形码后，设备就能获得合成所需 DNA 的操作说明。Duncan 说，实验室的技术员只需要在设备中植入模块并按下开始键就可以了。
Tavotek Biotherapeutics 的生物学研发部门副总裁表示：“BioXp 让我们不需要人工就能够进行简单的亚克隆步骤，所有在 BioXP 平台运行的方法都帮我们减少了执行所需的时间和开销。”
这一单细胞胞内蛋白质组学解决方案利用创新的微流体技术，将看似完善的 ELISA 化学方法精确至细胞水平。IsoPlexis 单细胞胞内蛋白质组解决方案诞生于加利福利亚理工学院的几个实验室。为了开发靶向疗法，这几个实验室都在寻求更好的方法来监控癌细胞中蛋白质之间的相互作用。Western 印迹法、质谱法和流式细胞仪等传统方法，只能在特定的时间段内对几个类型的蛋白质进行跟踪。而使用 2020 年 7 月份发布的 IsoPlexis 系统，研究人员可以监控 30 多条蛋白质通路，而且可以在同一天得到结果。在传统的技术中，磷酸化可以用于鉴定单个蛋白的功能，但无法确定蛋白之间的相互作用。而这种使用了磷酸化的单细胞胞内蛋白质组技术不仅可以揭示功能，而且能提供完整蛋白的信号通路，并揭示整个蛋白网络的运作机制。IsoPlexis 的联合创始人和首席执行官 Sean Mackay 说，研究人员了解整个蛋白网络在细胞内的通路后，就能够更好地了解异常细胞的下游效应。他补充说，在癌症研究中，这种方法可以帮助评估靶向疗法（如抗体疗法或小分子药物）的有效性。
“这样的通路基本上可以帮助我们明确细胞是如何被激活的，这对于癌症尤为重要，”加州理工大学实验室主管 James Health 说，“活化的磷蛋白信号不仅是癌症的标志，而且是靶向抑制剂的一个主要研究焦点。” 8 年前该实验室发明了这一技术。
这种抗体疗法将单细胞乳化液滴微流体技术、基因组技术和蛋白质组编辑相结合，如果其能成功的话，将会对 COVID-19 及其他多种不同疾病的治疗方法带来革新。一个多世纪以来，科学家们一直使用静脉注射免疫球蛋白（IVIG）来治疗免疫缺陷或免疫抑制的患者，并用康复者的血浆来治疗感染性疾病。血浆疗法正是现今诸多尝试用于治疗 COVID-19 的方法之一。但是来源于捐赠者的生物样本并不是最为标准化的治疗方法。GigaGen 的 Surge 平台使用单细胞测序来“捕获”并“复制”血浆捐血者样本中的抗体。为了形成抗体库，该公司使用 Surge 平台来分离捐赠者血液样本中产生抗体的 B 细胞，并提取编码抗体的 RNA 序列。GigaGen 的首席执行官 David Johnson 说，他们利用这些基因序列，就可以形成“某个人免疫系统的蓝图”。接着，该公司的研究人员会筛选其中的一些抗体在哺乳动物细胞中进行工程化改造，以开发重组抗体的治疗方法。研究人员表示，根据体外实验和动物模型的测试结果，这种疗法比康复者血浆或 IVIG 更有效。GigaGen 现在尚无计划出售 Surge，他们一直在用这一平台来开发针对癌症、免疫缺陷相关的紊乱以及最近的 COVID-19 的疗法。GigaGen 希望于 2021 年上半年针对他们的 COVID-19 的治疗方法开始临床试验，其中使用了来自 16 个供者超过 12500 种抗体。Johnson 说，Surge 的目标是“梳理出免疫系统的复杂性”，然后调整抗体疗法，使其产生最强的效应。
Fred 和 Vicki 的儿子 15 岁时因先天免疫缺陷的并发症去世，此后他们创建了 Jeffrey Modell 基金会。他们表示，IVIG 有时供应短缺，且在许多患者中可能造成副作用，因此他们一直在寻找替代品。Fred Modell 说：“GigaGen 给我们带来了最好的礼物，他们为免疫缺陷患者带来了希望。”
10X Genomics铬单细胞
多基因组ATAC+基因表达
这种方法首次让从同一个单细胞中分析表观基因组和转录组成为可能，可以帮助我们更好地了解细胞功能。几年前，10X Genomics 发布了 ATAC-seq 检测方法，用于识别单个细胞中的染色质开放性区域。该产品在 2019 年就被 The Scientist 评选为当年的十大顶尖创新之一。据产品市场经理 Laura DeMare 说，没过多久顾客们就吵着想要更多产品，他们的反馈是“非常棒，但是我们着实希望能够获得同一细胞中的基因表达信息和 ATAC-seq 信息。”2020 年 9 月，10X 推出了铬单细胞 ATAC+ 基因表达产品，该产品能够从单个细胞中获得表观遗传和基因表达数据。DeMare 解释说，该平台使用 DNA 条形码标记 mRNA 和每个细胞核的染色质开放性区域，然后对核酸进行扩增与分析。她说：“你可以将基因组中的调控元件与基因的开启或关闭联系起来。”每次测试所需的试剂和微流控芯片大约要 2400 美元。斯坦福医学院的免疫学家 Ansu Satpathy 和 ATAC-seq 的前联合开发者、博士后 Howard Chang 表示，他正在用新的检测方法来研究与癌症患者肿瘤活检样本中 T 细胞衰竭相关的表观遗传变化。
当 T 细胞衰竭后，其对抗癌症的有效性降低。Satpathy 说：“我们现在通过结合 RNA 和 ATAC 方法来探索这些分子变化是如何调节那些造成细胞出现这种功能失调的基因的。”
10X Genomics Visum
空间基因表达解决方案
这是生物学的另一前沿领域。不仅仅是单细胞或几个细胞的基因表达，而是在少数细胞水平上收集它们的空间基因表达数据。过去几年中，单细胞转录组已经提供了诸多关于单个细胞和不同细胞类型的基因表达信息。现在，10X Genomics 推出了空间转录组学新技术，这种技术能够提供一个或几个细胞的完整的转录组数据，并准确地揭露组织样本中哪个位置正在发生基因表达。这一 Visium 空间基因表达解决方案于 2019 年十月发布，能将组织样本上的 5000 个 55 微米的位置暴露于可与 mRNA 结合的寡核苷酸，并将得到的基因表达数据和组织图像叠加。该技术是由瑞典公司 Spatial Transcriptomics 开发并最先进行销售的。该公司于 2018 年被 10X Genomics 收购，之后 10X 进一步开发了该产品。10X Genomics 公司负责空间转录组解决方案的营销策略部门主管 Nikhil Rao 说，10X Genomics Visum 空间基因表达解决方案每个样品售价为 1000 美元，相比于公司刚接手这个产品的时候，该产品现在有更小、更密集的结合位点。他解释说，这增加了分辨率，“我们也显著地增加了测试的灵敏度，每个点上都能找到成千上万个独特的分子识别器。”Rao 说，许多 Visium 的用户都聚焦于神经科学，如研究神经退行性疾病。而该产品也被用于发育生物学、肿瘤学和免疫学。约翰霍普金斯大学的计算生物学家 Elana Fertig 使用 Visium 来探究癌细胞是如何抵抗治疗的。她解释说：“通过掌握这些细胞的空间信息，你可以真正弄清楚它们之间直接作用的分子机制，这是因为你能够看到细胞是否在物理上存在相互作用。”Inscripta公司的Onyx™
数字化基因组工程平台
CRISPR 是基因组编辑和功能性评估的强大工具，可以阐明因果关系并提升我们对基因组生物学的认知。但是，如果不克服一些技术和可扩展性方面的挑战，有些成果是无法实现的。而这就是 Onyx 数字化基因组工程平台所能做到的。尽管基于 CRISPR 的基因组编辑已经是全球实验室广泛使用的一项技术，但对于一些实验室来说，仍然有一些研究课题需要对核苷酸进行一定程度的修补，即便这些实验室能够接受高昂的价格，实现的过程也非常繁琐。Inscripta 公司的 Onyx™ 数字化基因组工程平台提供了解决方案——全自动基因组工程文库，可以对微生物的基因组进行数十万次单独编辑。这种台式设备于 2019 年十月发布，售价为 347,000 美元，用户可以在大肠杆菌和酿酒酵母的 DNA 中植入所需的遗传变体，而设备负责剩余的其他工作。该平台囊括了从优化编辑过程的算法到处理细胞的微流体技术和相关试剂。Inscripta 公司的应用开发副总裁 Nandini Krishnamurthy 说，生物学家们再也不用担心技术优化问题，现在可以继续关注生物学中的任何问题。科罗拉多大学的分子生物学家 Shelley Copley 是 Onyx 的早期测试者。她用该平台检测同义突变对大肠杆菌适应性的影响，同义突变不会改变合成的蛋白质。她说：“该平台的高吞吐量对于解决这一问题至关重要。”
使用 Onyx 设备 Copley 一下生成了所有的 50,000 个突变，而不是逐个获得她想要的突变株。基于 Onyx 设备，Copley 团队可以直接进行大批量的适应性测试。“我不知道有其他任何技术可以做到这一点。”Copley 说。
离子选择性色谱是生物化学的核心。这是微电子技术与生物技术的完美结合。范德堡大学的生物分析化学家 John McLean 想要确切了解某股气体中有什么，包括蒸发的血液或组织样本中的最后一个脂质分子是什么。多年来，他一直使用重量对样品中的化合物进行分类。然而，有时候，不同的物质可能有着相同的质量和原子组成，这使得区分它们变得困难。在离子迁移率分离法中，气体样品被置于一米长的管道中，然后利用形状和结构来区分分子，这一技术解决了质量相同造成的问题。但由于这项技术是在几十年前设计的，因此它还没有达到和质谱分析法一样的分辨率。而想要达到相近的分辨率，这种离子分离设备需要一个 13 米长的管道。由于实验室的空间有限，做一个这种长度的线性管道是不可行的。所以几年前，太平洋西北国家实验室的 Richard Smith 和他的同事们开始头脑风暴以寻找能让离子转弯的方法。这一讨论造就了 MOBILion 公司“无损离子操纵结构（SLIM）”技术的开发。该设备有一条 13 米长的管道，这条管道被切割成弯曲的形状置于两块电路板上，而后装进 3 米长的盒子里，该设备可以在几分钟内就得到样品中化合物大小和形状的数据。MOBILion 公司业务拓展与企业战略部门主管 Laura Maxon 说，SLIM 可以在短时间内揭示出那些我们看不见的东西。SLIM 的第一次迭代——MOBILion 测试版在 2020 年第二季度提供给了合作者。它是为制药或临床研究等领域的科学家设计的。Maxon 指出，与现有技术相比。这一次的价格更有竞争力，而且该公司计划设计一种仪器，这种仪器可以用于临床——识别疾病的生物标志物。
“我们现在所看到的这些，从 MOBILion 到 SLIM，都只是冰山一角，”McLean 说，“从分析学的角度来说，仍然有许多尚未被开发的潜质。”所以，“人们真的可以期待这些技术的巨大革新。“
原文链接：https://www.the-scientist.com/features/2020-top-10-innovations-68176
