《科學家》期刊：2018top10創新產品

隨著大數據和全基因組測序的發展成熟和大量研究的廣泛開展，有時不免讓人覺得研究人員將他們的顯微鏡（microscope）更換為宏觀鏡（macroscope）。但是，《科學家》雜志舉辦的2018年十大創新競賽講述了一個不同的故事：單個細胞。

在《科學家》雜志的獨立評審團評選出的2018年十大創新產品中，它們中的大多數是令人激動人心的實驗室工具，可用于窺探單個細胞，從而獲取它們的DNA、RNA和/或蛋白中包含的數據。在單細胞水平上捕獲這些類型的生物信息的優勢可揭示出混合樣品（pooled sample）中通常無法檢測到的組織內的細胞類型。比如，這樣的分析可能允許科學家們通過在個體基礎上采集上千個快速分裂的細胞來更準確地描述腫瘤異質性，從而了解它們彼此之間的差別。

此外，在2018年的獲獎清單上展示的是能夠推進經過驗證的真實實驗室技術（比如質譜分析和基于CRISPR的基因組編輯）的產品。《科學家》雜志很高興展示2018年十大創新比賽的獲獎者，并且期待看到這些獲獎產品的采用所帶來的新發現。這些工具可能有助于促進生命各個層面（從生態系統到電子傳遞鏈）的發現。

1. Sphere Fluidics公司開發的Cyto-Mine臺式設備

大約五年前，總部位于英國的Sphere Fluidics公司的員工詢問了35家生物制藥公司它開發的單細胞分析技術是否有用。獲得的答復表明有這方面的需求，特別是在從事抗體和細胞系研究的公司當中。Cyto-Mine是一種緊湊的臺式設備，可完成通常由多種儀器完成的任務。 Sphere Fluidics公司銷售和市場總監Rob Marchmont說道，“它基本上是世界上首臺專門設計用于自動化完成抗體發現和細胞系開發工作流程中的所有步驟的集成設備。”該公司在今年夏天開始銷售Cyto-Mine臺式設備。

Cyto-Mine可篩選含有多達20萬個細胞的樣品，將樣品中的每個細胞分選到它們各自的微小液滴中，評估它們的特定性質（比如較高的特定蛋白產量，或者抗原特異性），隨后將性能好的細胞分配到微量滴定板中，這樣用戶就能夠培養細胞克隆。

作為楊森制藥公司（Janssen Pharmaceuticals）的一名科學家，Tom Kelly是Cyto-Mine的一名早期測試人員，如今使用它的最終版本（價格為45萬美元）來選擇產生大量生物藥物的細胞系。他說，它的最大優勢在于Cyto-Mine提供的克隆性證據，這就可證實微量滴定板中的每個孔僅有一個經過驗證的細胞。他之前的實驗流程包括一個額外的步驟，這會讓處理時間翻倍。他說，“在這個原有的過程中從轉染到凍存小瓶所需的時間是三個月，如今使用Cyto-Mine進行處理所需的時間是六周。”

2. Mission Bio公司開發的Tapestri精準基因組學平臺

Tapestri精準基因組學平臺于2017年12月推出，是第一臺制備用于單細胞DNA測序的樣品的高通量儀器。通過使用基于液滴的微流體技術，Tapestri首先將細胞暴露于蛋白酶，從而裂解細胞核并讓DNA從它的經濃縮后形成的染色質中釋放出來。然后，加熱讓蛋白酶變性，接著往這種系統中加入試劑以便擴增感興趣的基因座，并根據它們的細胞起源對它們進行條形碼標記，這樣就可準備將制備的樣品送入下一代測序儀中。

美國MD安德森癌癥中心遺傳學家Nick Navin說，“這是令人激動人心的。它允許人們真正地理解腫瘤的遺傳亞結構，以及重建突變的進化過程。”Navin及其團隊已定期使用這臺儀器大約一年的時間來檢測在單個乳腺癌細胞中發現的突變組合。

Tapestri能夠同時制備多達1萬個細胞，相比之下，將細胞分選到微量滴定板的孔中僅能制備384個細胞。此外，Navin說，這臺儀器僅需大約一天的時間來準備樣品，而使用微量滴定板方法則需要五到七天的時間。

Tapestri的售價為7.95萬美元，檢測每個樣品所需的耗材大約為795美元至1300美元。 Mission Bio 公司首席科學官Dennis Eastburn說道，該公司提供多種固定面板（fixed panel），用于監測與各種癌癥相關的靶基因座，并可開發靶向多達300個感興趣的基因座的定制面板（customized panel），而且未來可能提供更多的定制面板，從而將Tapestri的應用擴展到腫瘤學之外的領域。

3. Fluidic Analytics公司開發的Fluidity One儀器

作為制造蛋白分析儀器的Fluidic Analytics公司的研發主任，Sean Devenish說，Fluidity One儀器的許多潛在應用之一是“常規的生物物理學分析”。Devenis暢想實驗室經常使用這種儀器進行質量控制：當含蛋白的溶液第一次到達實驗室和當將它們從從冷凍機中取出時，對它們進行測試，從而確保溶液中的蛋白內含物沒有發生降解。

用戶將5μL樣品吸取到一次性微流體芯片上，然后將它插入到Fluidity One臺式儀器中。樣品進入一個與流動的緩沖液平行的腔室，其中蛋白在緩沖液中擴散。這種儀器測量這種擴散的速率，以便計算這些蛋白的平均大小；它還測量這些蛋白在樣品中的濃度。

在德國杜塞爾多夫大學研究疾病中蛋白聚集的AlexBüll說，他發現Fluidity One可用于分析來自患者的尿液樣品。他解釋道，“實際上估算這些蛋白的濃度是非常困難的，因此我們使用Fluidity One來測定這些濃度，我們也追蹤這些蛋白的聚集和二聚體/單體平衡。”Büll 說，Fluidity One測量光散射（一種測定溶液中蛋白大小的標準技術）的一個優點是光散射結果由溶液中的任何蛋白聚集物控制，而Fluidity One提供樣品中存在的蛋白的“真實平均”大小。Devenish補充道，這種儀器也能夠揭示出這些蛋白是彼此結合還是結合到DNA、脂質或納米顆粒上。

Fluidity One的售價為3萬美元，此外，每次運行的芯片和試劑成本大約為5美元。

4. 針對10X Genomics技術提供的Chromium免疫庫分析解決方案

利用Chromium免疫庫分析解決方案（Chromium Immune Repertoire Profiling Solution），研究人員能夠研究身體對不同類型感染做出的適應性免疫反應，并確定對免疫系統激活作出反應的特定細胞類型，無論這種免疫系統激活是由細菌、病毒還是癌癥觸發的。今年3月，10X Genomics技術進行商業化發布，它是基于單細胞測序的強大功能開發出來的，允許研究人員區分樣品中的每個T細胞和B細胞，以及每個細胞上的Y形受體的基因序列。

利用DNA條形碼技術，這種工具如今能夠確定哪種類型的T細胞或B細胞對特定抗原作出反應。這種條形碼技術還通過將基因表達與細胞表面蛋白表達數據相結合來改進對細胞表型的分析，這是因為抗體與條形碼相連，而不是與流式細胞儀分析中使用的熒光標記相連。鑒于這些條形碼是多樣化的，研究人員能夠同時檢測更多的細胞表面標志物，從而為研究人類和小鼠的免疫系統提供前所未有的視角。篩選每個樣品的費用為1500美元。

5. Fasmatech公司開發的Omnitrap設備

對于想要利用串聯質譜分析大分子的蛋白科學家來說，Omnitrap設備提供了新的功能。這種平臺是一種射頻離子阱，即便蛋白具有較高的分子量，它也能夠處理這些蛋白---原有的捕獲技術不能夠做到這一點---并獲得關于蛋白序列、結構和分子相互作用的信息。作為Omnitrap設備的首個客戶，瑞典卡羅林斯卡研究所化學家Roman Zubarev說道，“Omnitrap允許人們獲得通過其他方式不可能或者幾乎不可能獲得的獨特信息。”

作為一個項目的一部分，Zubarev領導的一個團隊使用這種設備來執行所謂的自上而下的抗體測序。這種自上而下的分析讓較大的蛋白保持結構完整，而不是像其他的分析方法那樣對它們進行消化。Zubarev說，Omnitrap對這個項目是至關重要的。

作為總部位于希臘雅典的Fasmatech公司的創始人兼首席科學官，Dimitris Papanastasiou說，這種設備產品的主要優勢之一就是能夠以多種方式讓蛋白形成片段。這允許用戶在不同情形下研究蛋白的特征，并且使用這種設備做到這一點。他說，“這真地是非常獨特的。”

Omnitrap設備是賽默飛世爾科技公司（Thermo Scientific）的Q Exactive質譜儀的附加產品，售價為25萬歐元（28.8萬美元）。

6.AcouSort公司開發的AcouWash設備

2010年，瑞典隆德大學的研究人員開發出使用聲音來讓細胞遷移的技術，這種技術被稱為聲泳（acoustophoresis）。當年12月，他們成立了AcouSort公司，并將該技術商業化。今年早些時候，該公司正式推出它的第二款產品AcouWash臺式設備（售價為5萬美元），它能夠將細胞從一種培養基沖洗到另一種培養基，富集或濃縮細胞樣品，并根據大小分離細胞，所有這一切都是利用超聲波實現的。

AcouSort公司首席工程師Jay Mallinson解釋道，聲波“將一定大小的顆粒或細胞推入到一個可讓樣品流過的微通道的中心。研究人員能夠根據他們試圖分離的細胞的大小來調整聲波的振幅---較大的細胞實際上需要較少的力來移動，這是因為它們具有更大的表面區域供聲波推動。接著，僅需引導液體通過一個分離器，就可將細胞與培養基分離開來。

作為隆德大學的Johan Jakobsson分子神經遺傳學實驗室的一名博士后研究員，Karolina Pircs說，AcouWash設備可以最大限度地減少細胞損失，然而，在之前的需要反復清洗和離心的方法中，這種細胞損失就會發生，因此這對研究含有少量細胞的樣品來說是一個很大的優勢。 Pircs的研究涉及將來自亨廷頓舞蹈癥患者和作為對照的健康人的成纖維細胞直接重編程為神經元。她去年協助開發的一種實驗程序（EMBO Mol Med, 9:1117–131）將30％～40%的成纖維細胞轉化為神經元，這意味著研究人員必須將未發生轉化的細胞和發生轉化的細胞分離開來。她說，迄今為止已進行過兩次測試的AcouWash設備分離出的細胞數量比一種傳統的涉及六個離心步驟的方法多出10％。 

7. Horizon Discovery公司開發的Dharmacon Edit-R Fluorescent Cas9 Nuclease mRNA產品

為了使用基因組編輯工具CRISPR-Cas9，研究人員通常將編碼這種工具中各種組分的DNA插入到他們想要編輯的細胞中。但是，一旦將這種外源DNA整合到宿主細胞中，就沒有簡單的方法將它移除。

具體而言，研究人員可能擔心編碼Cas9核酸酶的DNA會長期存在。作為英國基因編輯公司Horizon Discovery的一名產品經理，Amanda Haas說道，“在基因編輯發生后的很長時間內，Cas9仍然會在細胞中表達。”這意味著這種酶仍然能夠與宿主DNA相互作用，從而潛在地在基因組的脫靶位點上產生不想要的切割。

作為該公司的最新產品之一，Dharmacon Edit-R Fluorescent Cas9 Nuclease mRNA旨在使用Cas9酶的mRNA轉錄本而不是DNA片段來解決這個問題。在靶細胞合成這種蛋白---它發出熒光，以便進行細胞分選---后不久，Haas就注意到它的mRNA轉錄本發生自然降解。她解釋道，“盡管進行的基因編輯是永久性的，但是仍然不想要這種編輯系統的殘留物繼續存在。”

Haas說，Horizon Discovery公司提供的一管20微克的Dharmacon Edit-R Fluorescent Cas9 Nuclease mRNA的零售價格為400美元，足夠進行多次實驗。

8. Inscripta公司開發的酶MAD7

CRISPR基因編輯技術是生物醫學科學中的革命性工具。但是，從使用CRISPR-Cas9或CRISPR-Cpf1的研究中產生的商品化產品最終對許多研究人員和小型初創公司來說可能成本過高了，這是因為使用Cas9/Cpf核酸酶面臨著昂貴的ZL費和許可費。

因此，在總部位于美國科羅拉多州的創業公司Inscripta的研究人員發現了一類新型的核酸酶，并將它們命名為MADzyme。Inscripta公司首席執行官Kevin Ness解釋道，“我們說，這是一項非常重要的技術。我們將免費提供這類酶，真地免費提供。”

截至2017年12月，該公司已將它的獲得ZL保護的DNA切割酶MAD7的整個序列公布在網上，用于所有研究和開發用途，無論是商業用途還是非商業用途，也不論是在國內還是在國外使用。想要將這種酶商業化的研究人員需要向該公司支付少量ZL費。

Horizon Discovery產品經理Louise Baskin是一個測試MAD7并且當前正在利用它對哺乳動物細胞進行基因編輯的團隊的一員。她說，“我們所有的數據都表明它與Cas9一樣好。” Baskin補充道，鑒于MAD7與Cas9具有不同的識別區域，“它在我們能夠進行切割的基因組位置方面開辟了新的空間。”

Ness說，人們在去年下載了MAD7的序列1000多次，而且Inscripta公司正在尋求與潛在的分銷商進行合作，這樣研究人員可能直接購買MAD7的DNA或蛋白產品。

9.NanoTemper 技術公司開發的Tycho NT.6儀器

Tycho NT.6儀器的開發人員想要在實驗室中對蛋白樣品進行質量控制。NanoTemper技術公司（NanoTemper Technologies）聯合首席執行官Philipp Baaske說，如果采用較老的方法，研究人員將會長期討論“是否應當測試蛋白。如今，他們就能夠做到這一點”。Tycho NT.6運行花費3分鐘，并且需要10μL樣品。這種儀器以30°C /分鐘的速率加熱樣品，同時測量蛋白中的色氨酸和酪氨酸殘基發出的熒光，并將它與該樣品的參考值進行比較。與參考值存在差異表明這種蛋白可能不再像它應當的那樣發生折疊，這會影響它的活性，或者樣品發生污染或降解。

作為美國貝斯以色列女執事醫療中心的X射線晶體學核心部門的負責人，Gabriel Birrane說，他的團隊使用Tycho NT.6儀器來處理不溶性的細菌蛋白。他說，“我們能夠利用Tycho NT.6篩選條件”，從而確定誘導這些蛋白折疊的條件。不過，Birrane補充道，找到這些條件可能是一個困難的試錯過程。他的團隊已意識到當他們想要驗證從柱子上洗脫下來的樣品是否含有他們感興趣的蛋白時，這種儀器要比在凝膠上開展實驗快得多。 Tycho NT.6臺式儀器的售價為3.75萬美元，它含有的耗材可分析600個分析點。

10.BD公司開發的BD AbSeq測定技術

這種技術能夠讓研究人員同時分析數千個細胞中的RNA和蛋白表達。今年7月商業化發布的BD AbSeq測定技術（BD AbSeq Assay）與該公司的BD Rhapsody單細胞分析系統配合使用，將抗體與寡核苷酸偶聯在一起，通過高通量測序來估計細胞中的蛋白豐度。這些抗體-寡核苷酸偶聯物作為單瓶基質管加以出售，并且容易按比例用于標準的2微升樣品測試中，這種樣品測試提供的蛋白表達結果類似于流式細胞儀分析中獲得的數據。 

這種mRNA和蛋白數據的結合使得AbSeq Assay具有強大的功能。美國加州大學圣地亞哥分校免疫學研究員John Chang在他的實驗室里使用了BD AbSeq測定技術來研究免疫反應期間的淋巴細胞功能。他說，由于mRNA捕獲效率低以及mRNA不穩定和周轉，一些單細胞RNA測序工具無法對細胞進行全面分析。“同時分析相同的單個細胞中的RNA和蛋白的測定技術，比如BD AbSeq，能夠克服這一局限，并且能夠在許多生物系統中獲得更準確和更全面的見解。”

具體來說，BD公司產品營銷副總裁Steve Kulisch指出，研究人員能夠開始研究癌癥患者中的腫瘤與他們的免疫系統如何相互作用，這些數據有潛力提供更為強大的個人化癌癥治療。當前，這種測定方法可掃描100多種不同的人類抗體-寡核苷酸組合，而且還有更多的抗體-寡核苷酸偶聯物正在開發中，這應當有助于研究人員分析復雜疾病的復雜性，同時無需開展多次實驗。

Kulisch說，根據實驗設計，25次測試的成本為375美元，整個裝置的售價為1萬美元到5萬美元，平均每個細胞的測定成本為10～18美分。