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    Nature 發布2021年最值得關注的七項技術 單細胞測序、臨床質譜技術在列

    2021-03-08

           導讀: 毫無疑問,新冠疫情的影響肯定會對新一年的科學技術產生重大影響。2021年注定是有技術發展前景的一年,特別對于生物醫藥行業來說更是如此。
      
      Nature上遴選的這七項技術就主要集中生物學和生物醫學領域。它們分別是:熱穩定疫苗、大腦中的全息圖、構建更好的抗體、解決單細胞分化問題的三個技術、讓細胞感受到力量、臨床質譜分析法、嗅出疾病。研究人員描述了在他們的學科中令人興奮的工具和技術。未來已來!
      
      01 熱穩定疫苗
      
      成立于2017年的全球防疫創新聯盟(CEPI)致力于開發疫苗對抗新興的傳染性疾病。疫苗開發速度、規模和最終能讓人使用是非常重要的幾個方面。具體來說,還包括證明疫苗安全和有效的速度,以及如何大規模生產疫苗并向弱勢群體提供疫苗,以便人人都能獲得。包裹在脂類納米顆粒內的mRNA疫苗,已經從基因序列到臨床概念驗證,再到中期分析,在創紀錄的時間內完成。莫德納Moderna和輝瑞Pfizer公司,用了不到四個月的時間,就完成了第一階段的試驗。這在一般情況下是需要數年或者是數十年的時間才能完成的。其他創新也正在改善最終讓人能用得上。比如運輸的問題。有些技術利用糖分子進行有效的冷凍干燥,而不會破壞疫苗的精細結構,使其更易于儲存和運輸。另一個獲取疫苗的途徑,是開發便攜式RNA打印技術。很少有國家擁有生產高質量疫苗的資本和專業知識,而且是大規模的。但在2019年2月,CEPI向生物制藥公司CureVac投資了3400萬美元,開發了一個完全可運輸的單元,這樣使得低資源地區也能夠生產自己的mRNA疫苗。這種創新將使疫苗更容易獲得,也讓我們看到了未來:這意味著更多的國家將為不可避免的下一波疫情做更好的準備。
      
      02 大腦中的全息圖
      
      光遺傳學,一種控制特定腦細胞和電路活動的技術,在神經科學領域引起了極大的興趣。到了2021年,這些工具將產生更大的影響。通過光遺傳學,研究人員可以將光線照射到組織中,所有表達這種工具的神經元都會做出反應。然而在現實中,大腦活動更為微妙。神經元只對特定的刺激有反應。時機很重要;順序也很重要;神經元很少一起放電的。從2005年開始,光遺傳學可以讓我們操縱特定類型的神經元,但仍然無法重現細胞之間相互交流的語言是什么。
      
      為了解決這一缺點,一些神經科學家開發了新的光響應蛋白。與此同時,其他人在光學方面也取得了進展。在過去的幾年里,全息和其他光學方法已經成熟到可以被非專業實驗室采用。
      
      一束激光可能需要10到20毫秒來刺激一個神經元,而全息技術可以讓你在不到1毫秒的時間內刺激這個細胞,這比4-5毫秒要快得多,而從一個神經元向另一個神經元傳遞信號通常需要的4-5毫秒的時間。也可以同時生成多個全息圖,或以特定的順序生成多個全息圖。
      
      這種類型的實驗過去僅限于專門的實驗室,需要這些實驗室擁有制造定制顯微鏡的技術?,F在,像Bruker和3i這樣的顯微鏡公司,他們已經在雙光子成像系統中加入了全息技術。神經科學家可以通過顯微鏡拍攝照片,標記他們想要激活的神經元,軟件生成全息圖來匹配這些激活模式。隨著光遺傳學工具和光學技術的融合發展,我們可以開始探索具有單神經元精度的神經編碼。
      
      03 構建更好的抗體
      
      抗體從20世紀90年代中期就開始被用作治療手段,當然這主要是指對病毒或腫瘤這些疾病的治療。然而,直到最近幾年,隨著科學家們研究出抗體的結構如何影響其功能,我們才真正開始挖掘其潛力。在新冠持續流行中,抗體療法已呈現出新的緊迫性。
      
      大多數抗體療法只是常規的、未經修飾的抗體,它們與特定的靶點結合——例如,病毒或腫瘤細胞表面的一種蛋白質。然而,這許多抗體在使免疫細胞處理目標物方面是無效的,也就是說,并不是有抗體就一定能抗病毒了。隨著分子生物學的進步,我們可以快速修改抗體,使其更好地利用免疫系統來對抗疾病。
      
      04 解決單細胞分化問題的三個技術
      
      人體中有許多功能各異的細胞。然而它們都來自單個細胞和基因組。從單個細胞如何產生不同的類型呢?
      
      三種新的單細胞測序技術可以幫助解決胚胎發育早期階段的問題。第一個技術Hi-C,使用了一種研究基因組三維結構的方法;另一種技術被稱為CUT&Tag,可以追蹤基因組上特定的生化“標記”,幫助科學家研究這些化學修飾如何在單個活細胞中開關某個基因,第三個SHARE-seq,它結合了兩種測序方法來識別基因組中可被轉錄激活分子訪問的區域。
      
      05 讓細胞感受到力量
      
      細胞除了生長因子和其他分子外,還能感受到物理的某種力量。而這種對力量的感覺可以調節基因的表達、增殖、發育,甚至可能是癌癥。
      
      力量是很難研究的,當你推動某物體時,會發生變形或運動,只能看到它的效應。但現在,通過使用兩種尖端工具來可視化和操縱活細胞中的力量,科學家們可以探索物理力量和細胞功能之間的因果關系。
      
      倫敦帝國理工學院開發的GenEPi技術,融合了兩種分子,可以在生理相關的條件下研究完整的細胞,不會對生物的生理活動造成影響。
      
      第二個工具,是促動器ActuAtor。促動器是從ActA產生的,而ActA是一種來自致病細菌的蛋白質。當細菌感染哺乳動物的宿主細胞時,ActA就劫持宿主的機器,在微生物表面引發肌動蛋白聚合,產生了推動細菌通過細胞質的力量。
      
      通過改造ActA,使肌動蛋白在細胞內的特定部位聚合來重新利用這種劫持,比如給予光或化學刺激時。有了促動器,可以在細胞深處施加力量。例如,釋放了線粒體表面的促動器,可以使細胞器在幾分鐘內被切碎。這些受損的線粒體更容易被有絲分裂吞噬而降解,但關鍵的線粒體功能如ATP合成沒有受到影響。
      
      以前很難處理這樣的過程,因為我們缺乏在活細胞中特異性和非侵入性地使細胞器變形的工具。促動器是最早能夠做到這一點的工具之一。
      
      06 臨床質譜分析法
      
      質譜法能快速分析復雜樣品中的成百上千個分子,具有很高的靈敏度和化學特異性。生物醫學研究用到的這些方法主要用于兩個極端。一些科學家正在開發高性能的技術來更深入地探測生物組織。研究人員正在簡化質譜分析工具,以便醫生可以將其用于臨床決策中。
      
      該技術是MALDI,一種用于生物組織分析的質譜成像技術。在臨床方面,現在創造出了MasSpec筆,這是一種手持式質譜系統,幫助外科醫生識別腫瘤組織及其邊界。
      
      2021年,將繼續對正在接受乳腺癌、卵巢癌和胰腺癌手術或機器人前列腺癌手術的患者使用MasSpec筆進行評估。
      
      07 嗅出疾病
      
      為了檢測可能有環境風險或疾病的氣體混合物,包括像是否含新冠病毒的疑似物,研究人員想模擬人類的嗅覺,知道我們在聞什么。然而,與視覺、聽覺和觸覺不同,嗅覺的化學傳感器是很復雜的。它們包括檢測幾百種甚至幾千種化學物質的混合物,通常是很微量的。
      
      現在正在采取幾種方法來開發下一代人工嗅覺系統,還需要讓傳感器做出更快的反應。
      
      人工嗅覺技術可用于醫學診斷,例如檢測哮喘患者呼吸中較高濃度的一氧化氮。其他應用包括監測空氣污染、評估食品質量和基于植物激素信號的智能農業。
      
      [來源:儀器信息網]

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