首页  >  热点  >  新闻特写  >  文章正文
shRNA表达克隆

2021年值得关注的7大科技

Feb 08, 2021 No Comments

 

2021年值得关注的7大科技

生物制药公司CureVac的RNA打印机可以迅速生产mRNA候选疫苗。

 

毫无疑问,未来一年可能产生重大影响的技术发展大多与新冠疫情有关。

从技术发展的角度来说,2021年似乎令人期待。从疫苗到嗅觉,从神经科学到质谱,7位科学家预测了2021年在他们各自的领域可能有重大突破的技术进展。

 

Nick Jackson:热稳定疫苗

Nick Jackson是伦敦流行病防范创新联盟(Coalition for Epidemic Preparedness Innovations, CEPI)项目及创新技术负责人。

流行病防范创新联盟是一个全球联盟,成立于2017年,旨在开发针对新兴传染病的疫苗。他们的目标是推动灵活快速、可大规模生产和低成本的疫苗技术,包括:能快速证明疫苗的安全性,以及大规模生产疫苗并将其交付给弱势群体,使每个人都能获得疫苗。

在COVID-19大流行期间,由于前所未有的紧急情况,包裹在脂质纳米颗粒内的信使RNA疫苗以创纪录的速度(不到1年)便完成了从获得测序信息到临床概念验证,再到中期分析的整个过程。事实上,Moderna生物技术公司和Pfizer制药公司只用了不到4个月就完成了从序列试验到第一阶段试验,这个速度令人难以置信,因为疫苗研发通常需要几年甚至几十年。目前这两家公司的新冠疫苗已经获批上市,以备紧急使用。

但RNA疫苗的潜力远不止于此。最近一项强大的创新是在纳米颗粒中使用可电离的脂质,将mRNA传递到细胞中。这些粒子在生理pH值下保持中性,但当它们进入细胞的核内体时,它们会在细胞器的酸性环境中积聚电荷,这有助于释放其mRNA负载。正在开发的下一代可电离脂质纳米颗粒将新增受体结合功能,从而靶向性地将颗粒递送到特定的组织或细胞类型。

其他技术创新也增加了疫苗的可用性。例如,一些技术利用糖分子进行有效的冷冻干燥,而不会破坏疫苗的精细结构或配方,使它们更容易储存和运输。

另一个增加疫苗可用性的途径是开发便携式RNA打印技术。很少有国家拥有大规模生产高质量疫苗的资本和专业知识,但2019年2月,CEPI向生物制药公司CureVac投资了3400万美元,帮助其开发一个完全可运输的设备,使资源匮乏地区能够生产自己的mRNA疫苗。这种创新将使疫苗更容易获得。这项创新对未来也有着重要意义:这意味着更多的国家能够在下一次疫情(无可避免)中打一场有准备之战。


Ofer Yizhar:大脑中的全息图

Ofer Yizhar是以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)的系统神经科学家。

光遗传学——控制特定脑细胞和脑回路活动的技术——自2005年出现以来,在神经科学领域引起了轰动。预计这些工具在2021年将产生更大的影响。

利用光遗传学,研究人员可以将光照射到组织中,所有表达相应光反应蛋白的神经元都会做出反应。然而在现实中,大脑活动要微妙得多。神经元只对特定的刺激有反应。刺激的时间很重要;刺激的顺序也很重要;并且神经元很少同时放电。从2005年开始,光遗传学让我们能够操纵特定类型的神经元,但仍然不能复制细胞之间交流所用的语言。

为了克服这个缺点,一些神经科学家开发了新的光反应蛋白——例如,通过改变激活该通道的光的颜色,或使该通道保持更长时间的开放。其中一些修饰过的蛋白质使我们能够使用双光子激发技术更精确地刺激神经元,这是一种对活组织进行高分辨率成像的技术。然而,激光束激活单个神经元的速度有限,这就限制了我们设计模拟自然活动的刺激模式的可靠性。

与此同时,其他人在光学方面也取得了进展。在过去的几年中,全息术和其它用于单神经元操作的光学方法已经足够成熟,可以被非专业实验室采用。通过将激光分裂成许多形成神经元形状的光束,就有可能产生全息图,以复杂的时间模式,在三维中精确地刺激神经元。

一束激光刺激一个神经元可能需要10-20毫秒,而全息术可以让你在不到1毫秒内刺激该细胞——这比通常从一个神经元到另一个神经元传输信号需要4-5毫秒要快得多。并且你可以同时生成多个全息图,或者以特定的顺序生成全息图。

过去,这种类型的实验只能在专业的、拥有定制显微镜的知识和背景的光学实验室中进行。现在,像Bruker和3i这样的显微镜公司已经在他们的双光子成像系统中加入了全息技术。神经科学家可以通过显微镜拍摄一张照片,标记他们想激活的神经元,然后软件生成全息图来匹配这些激活模式。随着光遗传工具和光学技术的不断发展,我们可以开始以单神经元的精度破译神经元密码。

 

Alicia Chenoweth:构建更好的抗体

Alicia Chenoweth是伦敦国王学院(King’s College London)癌症免疫学家,2022年抗体生物学和工程学戈登研究会议(Antibody Biology and Engineering Gordon Research Conference)的联合主席。

注:戈登研究会议(Gordon Research Conference, GRC)是由登记在册的88个非营利组织组成,自1931年以来一直为科学界服务,其使命是“为生物、化学和物理科学及其相关技术的前沿研究的介绍和讨论提供一个国际论坛”。GRC目前管理着超过340个不同的会议。GRC被主流科学界接纳为在科学前沿发表研究报告的主要论坛,并与来自世界各地的顶尖科学家建立关系。

自20世纪90年代中期以来,抗体就被用于治疗。然而,直到最近几年,当科学家弄清楚抗体的结构如何影响它们的功能时,我们才真正开始发现它们的潜力。在持续的疫情大流行中,抗体疗法具有新的紧迫性。

大多数抗体疗法只是常规的、未修饰的抗体,它们能结合特定的目标——例如,病毒或肿瘤细胞表面的一种蛋白质。然而,这些抗体中的很大一部分都无法使免疫细胞清除目标物质。随着分子生物学的进步,我们可以快速修饰抗体,使其更好地利用免疫系统对抗疾病。

Chenoweth的实验室一直在使用两种不同的策略来开展研究。在Novartis研究基金会基因组学研究所(Genomics Institute of the Novartis Research Foundation),Chenoweth等人基于PIPE(polymerase incomplete primer extension,聚合酶引物不完全延伸)平台,开发了一种快速和高效的分子克隆方法。利用这种方法,他们在抗体中引入点突变,使它更易与自然杀伤细胞(natural killer cell)相互作用,从而增加NK细胞对小鼠乳腺癌模型中癌细胞的杀伤。

Chenoweth等人采用的另外一种策略是,研究基于免疫球蛋白E(IgE)的抗体。大多数治疗性抗体是基于免疫球蛋白G骨架。人们通常认为IgE是一种可怕的、与过敏反应相关的抗体。但事实上,如果能正确激发IgE抗体引发炎症的潜力,这可能是一种瞄准并杀死癌细胞的好方法。

工程化抗体的美妙之处在于,由于它们的多用途特性,它们可以应用于几乎任何疾病,只要确定分子目标。因此,在我们研究癌症的同时,其他科学家正在设计抗体来关闭免疫系统,以治疗自身免疫和过敏,或帮助免疫系统应对传染病,包括COVID-19。工程化抗体拥有无穷无尽的可能性。

 

Coral Zhou:3种单细胞技术

Coral Zhou是加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的细胞和发育生物学家,2021年染色体动力学戈登研究会议(Chromosome Dynamics Gordon Research Conference)的联席主席。

人体细胞有许多不同的功能。然而,它们都起源于一个细胞和一个基因组。那么一个细胞是如何产生所有这些不同类型的细胞的?

Zhou对三种新的单细胞测序技术感到兴奋,这三种技术可以帮助他们在胚胎发育的最初阶段探索这个问题。一种是使用Hi-C——一种研究基因组三维结构的方法——在小鼠胚胎不同早期发育阶段,检查单个细胞中的母、父染色体。利用这种方法,科学家在去年3月报告指出,亲代基因组在受精后不会立即混合——在1细胞到64细胞胚胎阶段之间有一个时刻,此时母系基因组的结构看起来与父系基因组的结构不同。虽然我们不知道为什么这种短暂的不对称性会存在,但作者推测它在发育后期建立性别特异性基因表达程序中有一定作用。在此之前,并没有哪种工具可以做出这方面的发现。

另一种叫做CUT&Tag的技术跟踪基因组上特定的生化“标记”,以帮助科学家研究这些化学修饰如何在单个活细胞中开启和关闭基因,而SHARE-seq结合了两种测序方法来识别基因组中可被转录激活分子访问的区域。

通过将这些工具应用到发育中的胚胎,我们可以创建一个路线图,说明基因组结构的特定特征如何决定细胞命运,从而影响胚胎发育的。

 

Takanari Inoue:探索细胞之间的力

Takanari Inoue是马里兰巴尔的摩约翰霍普金斯医学院(Johns Hopkins School of Medicine)的合成细胞生物学家,是美国细胞生物学学会2019年会议细胞生物学工具和设备分会(Tools and Devices for Cell Biology subgroup for the American Society for Cell Biology 2019)的联合组织者。

除了生长因子和其它分子,细胞也能感知物理力量。力可以调节基因的表达、细胞增殖,发育,甚至可能致癌。

力很难研究,因为你只能看到它的影响——当你推某物时,该物就会产生变形或运动。但是现在,利用两种尖端工具来可视化和操纵活细胞中的力,科学家便可以探索物理力和细胞功能之间的因果关系。这是以前无法想象的。

由伦敦帝国理工学院(Imperial College London)开发的GenEPi融合了两个分子。其中一种名为Piezo1,是一种离子通道,当它感知到细胞膜上的张力时,就会让钙离子通过通道进入细胞。第二个分子可以检测到这些内流的钙离子——当它与钙结合时,会发出更明亮的荧光。

以往的研究使用物理探针或其它侵入性设备来研究力对细胞的影响。使用GenEPi,你可以在接近生理条件的情况下研究完整的细胞。与以前广泛监测细胞质钙的传感器不同,GenEPi仅通过Piezo1测量与力感相关的钙活性。作为原理证明,研究人员用原子力显微镜悬臂的尖端刺激心肌细胞,从而改变了GenEPi的荧光。

第二个工具名为ActuAtor,是我们使用来自致病菌单核细胞增生李斯特菌(Listeria monocytogenes)的蛋白质ActA制造的。当细菌感染哺乳动物宿主细胞时,ActA会劫持宿主的机制,触发微生物表面的肌动蛋白聚合。这就产生了推动细菌穿过细胞质的力量。

我们通过工程学来重新利用这种劫持作用,当受到光或者化学刺激时,肌动蛋白在细胞内的特定位置聚合。通过ActuAtor,我们可以在细胞内部施加力量。例如,我们激活了线粒体表面的ActuAtor,导致细胞器在几分钟内被切割。我们发现,这些受损的线粒体更容易被线粒体自噬降解,但关键的线粒体功能,如ATP合成不受影响。

在此之前,我们很难处理这样的过程,因为我们缺乏在活细胞中对细胞器进行特异性和非侵入性变形的工具。据我们所知,ActuAtor是最早能够做到这一点的工具之一。

2021年值得关注的7大科技1
Genio Technologies公司的MasSpec笔被设计用来检测肿瘤组织及其边界。

 

Livia Schiavinato Eberlin:诊所里的质谱仪

Livia Schiavinato Eberlin是德克萨斯大学(University of Texas)奥斯汀分校的分析化学家,俄克拉何马州塔尔萨Genio Technologies联合创始人和首席科学官,2021年化学成像戈登研究会议(Chemical Imaging Gordon Research Conference)的副联合主席。

质谱法可以快速分析来自复杂样品的成百上千个分子,具有高灵敏度和化学特异性。关于这些方法的生物医学研究主要在两个截然相反的方向进行。一些科学家正在开发高性能的质谱技术来更深入地探测生物组织。Eberlin实验室的研究人员正在简化质谱分析工具,这样医生就可以用它们来做临床决定。

MALDI(matrix-assisted laser desorption/ionization,基质辅助激光解吸/电离)是一种用于生物组织分析的质谱成像技术。但是从组织中释放分子并在真空条件下电离它们会很麻烦。2017年,研究人员开发了一种MALDI系统,使他们可以在露天而不是在真空条件下操纵离子。这一进展简化了MALDI过程,并允许它与其它技术相结合,包括荧光原位杂交显微镜、生物发光成像、块面成像和磁共振成像。这些多通道功能使研究人员能够,例如,以比以前更大的分子和组织学精度探测宿主微生物的相互作用和代谢变化。

在临床方面,Eberlin的实验室发明了MasSpec Pen,这是一种手持式质谱分析系统,可以帮助外科医生识别肿瘤组织及其边界。Eberlin的设备通过分析代谢产物——体内酶反应的最终产物,来区分正常组织和肿瘤组织。这一过程非常简单,仅需要将一滴水滴到组织上,溶解代谢产物,然后将分子成分送到质谱仪上进行分析。基于他们在实验室里检测并总结的正常组织和肿瘤组织代谢特征的分子图谱,这个工具可以预测哪些是肿瘤组织,哪些不是。现在Eberlin等人正在手术室测试这个工具。

今年,他们计划继续在接受乳腺癌、卵巢癌和胰腺癌手术或机器人前列腺癌手术的患者中评估MasSpec Pen。他们已经将这项技术授权给了Genio Technologies。

 

Jong-Heun Lee:嗅出疾病

Jong-Heun Lee是首尔高丽大学(Korea University)的材料科学家,2021年化学传感器国际会议(International Meeting on Chemical Sensors)的指导委员会成员。

为了检测可能预示环境风险或疾病的气体混合物,包括COVID-19,研究人员希望模拟人类的嗅觉,分析气体分子。然而,与视觉、听觉和触觉不同的是,嗅觉的化学传感器非常复杂。它们涉及检测数百,甚至数千种化学物质的混合物,这些混合物的浓度往往很低。

在Lee的实验室,研究人员正在采取几种方法来开发下一代人工嗅觉。其一是采用双层设计增加气敏材料的多样性。例如,他们可以在10种不同的传感材料上涂上10层催化层,这些催化层可以微调每种材料的气敏特性,从而制造出10 × 10或100种不同的传感器。这比单独涂100种不同的传感材料要容易得多。

他们还需要让传感器的反应速度更快。一种策略是通过模仿自然的分层结构,使传感材料具有多孔性,比如树木,它能最大限度地吸收阳光进行光合作用;或者肺,它体积小,表面积大,能最大限度地从主要气道输送到更小的分支。

人工嗅觉技术可以用于医疗诊断,例如,检测哮喘患者呼吸中高浓度的一氧化氮。其他应用包括监测空气污染、评估食物质量和基于植物激素信号的智能农业。


原文检索:
Esther Landhuis. (2021) Seven technologies to watch in 2021. Nature, 589: 630-632.
张洁/编译

新闻特写, 热点
No Responses to “2021年值得关注的7大科技”

Leave a Reply


× eight = 8