編者按：
往年，The Scientist 雜誌評選的十大創新科技產品主要來自於實驗室，這些技術往往是探索基礎生物學的最新工具。但是 2020 年 COVID-19 的大爆發導致大量生物學家將目光轉向 SARS-CoV-2 病毒，因此，今年 The Scientist 雜誌的評選結果中納入了多項旨在解決 COVID-19 的技術。
今天，我們特別為大家介紹今年 The Scientist 評選出的十大創新科技產品。需要特別說明的是，由於今年競爭激烈，部分產品和技術存在一定關聯，所以最終的評選結果實際上包括了 12 種技術和產品。
① AbCellera Celium
2020 年 3 月底，生物科技公司 AbCellera 聚集了 40 多位研究人員共同分析他們收集到的關於 SARS-CoV-2 潛在抗體的資料。
利用 AbCellera 的高通量微流體技術和單細胞分析工具探測 COVID-19 患者的樣本，該公司破譯出了數百種可能治療這一疾病抗體編碼序列。但是，篩選這些資料的過程非常繁瑣，因此該團隊將其輸入到視覺化工具 Celium 中，該工具可以分析這些抗體中超過一百萬個高質量資料點，以尋求在患者體內效用最佳的抗體作為潛在治療方法。
研究人員使用 Celium 對資料進行了分析，最終發現了 LY-CoV555 抗體。數月後，作為 COVID-19 的潛在治療方法，該抗體進入臨床試驗。
AbCellera 資料視覺化主管及 Celium 的開發者 Maia Smith 說：“我認為這說明了一切。”
加州帕洛阿爾託 Kodiak Sciences 的蛋白質工程師 Fernando Corrêa 表示，利用 Celium 平臺將資料視覺化，可以幫助你找到滿足需求的正確分子。目前，他正與 AbCellera 合作，尋找治療視網膜疾病的抗體。另外他還表示，AbCellera 公司的微流體技術、單細胞分析和資料視覺化相結合的工具包，以一種使用者友好的方式簡化了抗體發現的過程。
獲獎評語：在新冠方面的應用凸顯了 Celium 平臺在生物學和人工智慧交叉領域的真實作用，其能夠以驚人的速度發現新的抗體。
② 雅培ID NOW COVID-19檢測
自 2014 年起，雅培的 ID NOW 系統就開始幫助醫生們進行一些病毒的檢測。該系統可以在 15 分鐘內檢測出甲型和乙型流感病毒，鏈球菌 A，呼吸道合胞病毒（RVS）以及最新的 SARS-CoV-2 病毒。
這種裝置的大小與烤箱相仿，其原理是透過將鼻拭子樣本置於酸性溶液加熱，使病毒包膜被破壞，從而暴露出病毒 RNA。不同於 PCR 儀器的加熱和冷卻迴圈，ID NOW 系統可以在恆定溫度下將 RNA 複製放大。去年三月，在 FDA 緊急批准用於 COVID-19 檢測的名單中，ID NOW 是最早用於美國公眾的檢測方法之一。
雅培傳染病科學事務的主管 Norman Moore 表示，該測試的反饋時間較短，這對於阻止病毒的傳播至關重要。“病毒在早期是最具傳染性的，如果我們無法及時得到結果，換句話說就是兩週後才獲得分子檢測結果，又有什麼用呢？”
美國已經有超過 23,000 臺 ID NOW 裝置投入使用，主要用於急診室和藥店。Moore 說，他的團隊正在開發一種可以相容用於其他感染性疾病（如性傳播疾病）測試的裝置。
J.D.Zipkin 是 GoHealth 急診的醫療主管，該公司與舊金山國際機場合作，採用 ID NOW 系統對出行人員進行 COVID-19 測試，這一測試改變了整個局面。他說：“雅培開發了一種能較好地檢測特定疾病狀態的裝置平臺，並將其應用於現在最大需求——新冠病毒之中。”
雅培公司的 ID NOW 系統每臺需要 4500 美元，而 COVID-19 測試每次需要 40 美元。
獲獎評語：在 15 分鐘以內能夠得到鼻咽拭子的 COVID-19 檢測結果，讓醫院、學校等場所能夠進行快速檢測，並決定哪些人需要居家隔離。由於這一裝置輕巧便攜，所以可以就地使用或在移動場所（如汽車餐廳測試點）使用。
2017 年，來自紐約基因中心的研究者們釋出了一種名為 CITE-seq 的新方法，這種方法使得科學家們可以在進行單細胞轉錄組學研究的同時評估每個細胞中的蛋白質。CITE-seq 的原理是將抗體與寡核苷酸結合，然後透過對這些寡核苷酸進行測序來確定是否存在與相應的抗體結合的目標蛋白。
生命科學公司 BioLegend 獲得了 CITE-seq 的使用許可，並開發了 TotalSeqTM-C Human Universal Cocktail v1.0，其中集合了 130 種寡核苷酸連線抗體，可用於大規模篩選單細胞表面蛋白。該工具適用於 10X Genomics 單細胞測序平臺。
BioLegend 公司蛋白質組學負責人 Kristophor Nazor 說，與基於視覺化方法鑑定靶蛋白的蛋白組方法不同，“這種方法對於你所篩選的蛋白質數量不再有理論上的限制。”他補充說，BioLegend 公司已經開始擴大抗體雞尾酒（Cocktail）中的抗體數量。“這有利於獲得非偏倚結果。”
麻省總醫院、哈佛醫學院及麻省理工與哈佛大學聯合學院的免疫學家和基因組學專家 Alexandra-Chloé Villani 說：“這在許多方面都具有開創性。”Villani 是人類細胞圖譜免疫細胞部分的組織者之一，與許多研究者一樣，今年著重於研究 COVID-19。她已經使用 BioLegend 的 Cocktail 來分析接近 300 個 SARS-CoV-2 檢測陽性患者的血樣。BioLegend 的 Cocktail 於 2020 年 8 月初以 5300 美元的價格出售（可以使用 5 次）。
“當你在同一個細胞中發現表面蛋白和 RNA，這真的有助於我們對這種免疫細胞做出更精準的定義，以更好地應對感染，”Villani 說，“事實上，我瞭解到，在美國和歐洲有很多同行也使用同樣的資料來進行他們的 COVID-19 組學分析，這也意味著我們可以將我們所有的資料結合起來進行比較，這是難以想象的。”
獲獎評語：這確實是一個很好的結合了二代測序技術和單細胞標記技術的產品，該產品利用這兩種技術為單細胞定量蛋白質組學研究提供可能。
④ Seven-Bridges GRAF™
為了解決人類遺傳多樣性的問題，生物資訊學公司 Seven Bridges 開發了一個名為 GRAF 的基因組分析平臺，該平臺試圖納入任何給定位點上所有可能的遺傳變異資訊。而由此得到的 GRAF/Pan 參考基因組是一幅囊括了基因組中特定位點已知變異的圖譜，而不是普通的線性參考序列（a linear reference sequence）。當基因組與 GRAF 參考序列進行比對時，任何缺失、插入、單核苷酸多樣性或其他突變都不會像與線性參考序列比對時所發生的那樣——被遺漏。
Seven Brides 公司在 2020 年 6 月宣佈，為了促進代表性不足的人群的基因組學研究，該公司決定向學術研究者免費開放 GRAF Germline 突變檢測流程和 GRAF/Pan 參考基因組。該公司科學部主管 Brandi Davis-Dusenbery 說：“這是首個結合祖先資訊和人類基因組多樣性的工業級工作流程，能夠提高比對結果，增加突變的發現。”
“我們希望，透過分析其中的複雜性，看到你所忽略的東西，”伊坎山伊坎醫學院兒童 Mindich 兒童健康與發展研究所主管 Bruce Gelb 說，“這個想法在我們腦海裡存在了許多年，現在 Seven Bridges 終於實現了這種可以實際操作的基於影象的方法。他們是第一個這樣做的。”
Gelb 一直使用 GRAF 平臺來尋找與先天性心臟缺陷有關的突變，並將這些突變與他使用傳統測序分析所得到的結果進行比對。他說，目前為止 GRAF 找到了一些其他方法可能會忽視的突變。
獲獎評語：Seven Bridges 向學術機構無償提供 GRAF 這一舉動，無疑為精準醫學鋪平了道路，因為它使得代表性不足的人群的研究得以發展，同時研究人員無需為此付出任何成本。
⑤ OXGENE TESSA
英國生物科技公司 OXGENE 的執行長 Ryan Cawood 說，限制細胞基因療法應用的主要障礙在於製備腺病毒相關病毒（AAV）這一常見基因載體所需的高成本。
“歐盟批准的第一個 AAV 基因療法產品價格為每劑 100 萬英鎊，”他說，“如果你想要用一種針對大型器官的靶向療法來治癒一種疾病，那麼這種療法確實可能惠及數千名患者，但是問題是你無法以低廉的成本生產出足夠量的產品。”
Cawood 說，目前，我們使用多種質粒轉染人體細胞，以誘導後者產生含有特定基因的 AAV 載體。但是質粒的製造成本高昂，而且轉染過程的效率也不高。
雖然腺病毒感染誘導也可以細胞啟用 AAV 的複製，但是問題在於，腺病毒同樣也會自我複製，並對最終的 AAV 產品造成汙染。為了解決這一問題，OXGENE 設計了一種基因開關，可以使腺病毒在生命週期的中途就終止它的活性，這樣細胞就能夠在不產生腺病毒的同時生產出 AAV 質粒。
Cawood 說：“加入病毒後，只有 AAV，而不會出現額外的腺病毒。”他補充道，OXGENE 公司於 2020 年 9 月份已經開始出售用於研究的病毒載體（名為 TESSA），並計劃於 2021 年開始提供可供臨床使用的產品。研究用的載體售價為 5000 英鎊起，最終價格取決於被感染細胞的數量。
獲獎評語：促進了基因療法的轉化，表現出生物工程的生物技術價值。
⑥ Codex DNA BioXp™3250 System
生物科技公司 Codex DNA 在 2020 年 8 月釋出了 BioXp™3250 系統，這是 2014 年釋出的 BioXp™3200 的後續版本。
Codex DNA 公司的產品管理主管 Peter Duncan 說，按需進行 DNA 組裝和複製的自動化平臺讓研究人員可以以前所未有的速度合成基因和基因組，這有助於推動疫苗、診斷學和治療方法的發展。這種裝置可以用於癌細胞或者多種感染源，其中包括 SARS-CoV-2。
在沒有 BioXp™3250 或其前身產品的情況下，想要合成 DNA 片段、克隆體和全基因組，實驗室必須要把樣品送給第三方處理。除了要應對運輸問題之外，這樣的處理可能需要數週甚至數月的時間。有了 BioXp™3250（售價 100,000 美元）之後，只需按下一個按鈕，在幾天內就可以組裝出長度達 7000 個鹼基對的 DNA 序列。
消費者不需要為特定的實驗在計算機上編寫基因序列，而是可以訂購一個大約 2 天內就能到貨的模組。模組帶有一個囊括了所有必需資訊的條形碼。當裝置掃描模組的條形碼後，裝置就能獲得合成所需 DNA 的操作說明。Duncan 說，實驗室的技術員只需要在裝置中植入模組並按下開始鍵就可以了。
Tavotek Biotherapeutics 的生物學研發部門副總裁表示：“BioXp 讓我們不需要人工就能夠進行簡單的亞克隆步驟，所有在 BioXP 平臺執行的方法都幫我們減少了執行所需的時間和開銷。”
獲獎評語：為實驗室能夠自主進行基因合成提供了迴圈時間更快、成本更低、生產量更高的選擇。
⑦ IsoPlexis單細胞胞內蛋白質組
IsoPlexis 單細胞胞內蛋白質組解決方案誕生於加利福利亞理工學院的幾個實驗室。為了開發靶向療法，這幾個實驗室都在尋求更好的方法來監控癌細胞中蛋白質之間的相互作用。Western 印跡法、質譜法和流式細胞儀等傳統方法，只能在特定的時間段內對幾個型別的蛋白質進行跟蹤。而使用 2020 年 7 月份釋出的 IsoPlexis 系統，研究人員可以監控 30 多條蛋白質通路，而且可以在同一天得到結果。
在傳統的技術中，磷酸化可以用於鑑定單個蛋白的功能，但無法確定蛋白之間的相互作用。而這種使用了磷酸化的單細胞胞內蛋白質組技術不僅可以揭示功能，而且能提供完整蛋白的訊號通路，並揭示整個蛋白網路的運作機制。
IsoPlexis 的聯合創始人和執行長 Sean Mackay 說，研究人員瞭解整個蛋白網路在細胞內的通路後，就能夠更好地瞭解異常細胞的下游效應。他補充說，在癌症研究中，這種方法可以幫助評估靶向療法（如抗體療法或小分子藥物）的有效性。
“這樣的通路基本上可以幫助我們明確細胞是如何被啟用的，這對於癌症尤為重要，”加州理工大學實驗室主管 James Health 說，“活化的磷蛋白訊號不僅是癌症的標誌，而且是靶向抑制劑的一個主要研究焦點。” 8 年前該實驗室發明了這一技術。
獲獎評語：這一單細胞胞內蛋白質組學解決方案利用創新的微流體技術，將看似完善的 ELISA 化學方法精確至細胞水平。
GigaGen 的 Surge 平臺使用單細胞測序來“捕獲”並“複製”血漿捐血者樣本中的抗體。為了形成抗體庫，該公司使用 Surge 平臺來分離捐贈者血液樣本中產生抗體的B細胞，並提取編碼抗體的 RNA 序列。GigaGen 的執行長 David Johnson 說，他們利用這些基因序列，就可以形成“某個人免疫系統的藍圖”。
接著，該公司的研究人員會篩選其中的一些抗體在哺乳動物細胞中進行工程化改造，以開發重組抗體的治療方法。研究人員表示，根據體外實驗和動物模型的測試結果，這種療法比康復者血漿或 IVIG 更有效。
GigaGen 現在尚無計劃出售 Surge，他們一直在用這一平臺來開發針對癌症、免疫缺陷相關的紊亂以及最近的 COVID-19 的療法。GigaGen 希望於 2021 年上半年針對他們的 COVID-19 的治療方法開始臨床試驗，其中使用了來自 16 個供者超過 12500 種抗體。
Johnson 說，Surge 的目標是“梳理出免疫系統的複雜性”，然後調整抗體療法，使其產生最強的效應。
Fred 和 Vicki 的兒子 15 歲時因先天免疫缺陷的併發症去世，此後他們建立了 Jeffrey Modell 基金會。他們表示，IVIG 有時供應短缺，且在許多患者中可能造成副作用，因此他們一直在尋找替代品。Fred Modell 說：“GigaGen 給我們帶來了最好的禮物，他們為免疫缺陷患者帶來了希望。”
獲獎評語：這種抗體療法將單細胞乳化液滴微流體技術、基因組技術和蛋白質組編輯相結合，如果其能成功的話，將會對 COVID-19 及其他多種不同疾病的治療方法帶來革新。
⑨ 10X Genomics鉻單細胞多基因組ATAC+基因表達
2020 年 9 月，10X 推出了鉻單細胞 ATAC+ 基因表達產品，該產品能夠從單個細胞中獲得表觀遺傳和基因表達資料。
DeMare 解釋說，該平臺使用 DNA 條形碼標記 mRNA 和每個細胞核的染色質開放性區域，然後對核酸進行擴增與分析。她說：“你可以將基因組中的調控元件與基因的開啟或關閉聯絡起來。”每次測試所需的試劑和微流控晶片大約要 2400 美元。
斯坦福醫學院的免疫學家 Ansu Satpathy 和 ATAC-seq 的前聯合開發者、博士後 Howard Chang 表示，他正在用新的檢測方法來研究與癌症患者腫瘤活檢樣本中 T 細胞衰竭相關的表觀遺傳變化。
當 T 細胞衰竭後，其對抗癌症的有效性降低。Satpathy 說：“我們現在透過結合 RNA 和 ATAC 方法來探索這些分子變化是如何調節那些造成細胞出現這種功能失調的基因的。”
獲獎評語：這種方法首次讓從同一個單細胞中分析表觀基因組和轉錄組成為可能，可以幫助我們更好地瞭解細胞功能。
⑩ 10X Genomics Visum空間基因表達解決方案
過去幾年中，單細胞轉錄組已經提供了諸多關於單個細胞和不同細胞型別的基因表達資訊。現在，10X Genomics 推出了空間轉錄組學新技術，這種技術能夠提供一個或幾個細胞的完整的轉錄組資料，並準確地揭露組織樣本中哪個位置正在發生基因表達。這一 Visium 空間基因表達解決方案於 2019 年十月釋出，能將組織樣本上的 5000 個 55 微米的位置暴露於可與 mRNA 結合的寡核苷酸，並將得到的基因表達資料和組織影象疊加。
該技術是由瑞典公司 Spatial Transcriptomics 開發並最先進行銷售的。該公司於 2018 年被 10X Genomics 收購，之後 10X 進一步開發了該產品。
10X Genomics 公司負責空間轉錄組解決方案的營銷策略部門主管 Nikhil Rao 說，10X Genomics Visum 空間基因表達解決方案每個樣品售價為 1000 美元，相比於公司剛接手這個產品的時候，該產品現在有更小、更密集的結合位點。他解釋說，這增加了解析度，“我們也顯著地增加了測試的靈敏度，每個點上都能找到成千上萬個獨特的分子識別器。”
Rao 說，許多 Visium 的使用者都聚焦於神經科學，如研究神經退行性疾病。而該產品也被用於發育生物學、腫瘤學和免疫學。約翰霍普金斯大學的計算生物學家 Elana Fertig 使用 Visium 來探究癌細胞是如何抵抗治療的。她解釋說：“透過掌握這些細胞的空間資訊，你可以真正弄清楚它們之間直接作用的分子機制，這是因為你能夠看到細胞是否在物理上存在相互作用。”
獲獎評語：這是生物學的另一前沿領域。不僅僅是單細胞或幾個細胞的基因表達，而是在少數細胞水平上收集它們的空間基因表達資料。
⑪ Inscripta公司的Onyx™數字化基因組工程平臺
儘管基於 CRISPR 的基因組編輯已經是全球實驗室廣泛使用的一項技術，但對於一些實驗室來說，仍然有一些研究課題需要對核苷酸進行一定程度的修補，即便這些實驗室能夠接受高昂的價格，實現的過程也非常繁瑣。
Inscripta 公司的 Onyx™ 數字化基因組工程平臺提供瞭解決方案——全自動基因組工程文庫，可以對微生物的基因組進行數十萬次單獨編輯。這種臺式裝置於 2019 年十月釋出，售價為 347,000 美元，使用者可以在大腸桿菌和釀酒酵母的 DNA 中植入所需的遺傳變體，而裝置負責剩餘的其他工作。
該平臺囊括了從最佳化編輯過程的演算法到處理細胞的微流體技術和相關試劑。Inscripta 公司的應用開發副總裁 Nandini Krishnamurthy 說，生物學家們再也不用擔心技術最佳化問題，現在可以繼續關注生物學中的任何問題。
科羅拉多大學的分子生物學家 Shelley Copley 是 Onyx 的早期測試者。她用該平臺檢測同義突變對大腸桿菌適應性的影響，同義突變不會改變合成的蛋白質。她說：“該平臺的高吞吐量對於解決這一問題至關重要。”
使用 Onyx 裝置 Copley 一下生成了所有的 50,000 個突變，而不是逐個獲得她想要的突變株。基於 Onyx 裝置，Copley 團隊可以直接進行大批次的適應性測試。“我不知道有其他任何技術可以做到這一點。”Copley 說。
獲獎評語：CRISPR 是基因組編輯和功能性評估的強大工具，可以闡明因果關係並提升我們對基因組生物學的認知。但是，如果不克服一些技術和可擴充套件性方面的挑戰，有些成果是無法實現的。而這就是 Onyx 數字化基因組工程平臺所能做到的。
⑫ MOBILion SLIM
範德堡大學的生物分析化學家 John McLean 想要確切瞭解某股氣體中有什麼，包括蒸發的血液或組織樣本中的最後一個脂質分子是什麼。多年來，他一直使用重量對樣品中的化合物進行分類。然而，有時候，不同的物質可能有著相同的質量和原子組成，這使得區分它們變得困難。
在離子遷移率分離法中，氣體樣品被置於一米長的管道中，然後利用形狀和結構來區分分子，這一技術解決了質量相同造成的問題。但由於這項技術是在幾十年前設計的，因此它還沒有達到和質譜分析法一樣的解析度。而想要達到相近的解析度，這種離子分離裝置需要一個 13 米長的管道。
該裝置有一條 13 米長的管道，這條管道被切割成彎曲的形狀置於兩塊電路板上，而後裝進 3 米長的盒子裡，該裝置可以在幾分鐘內就得到樣品中化合物大小和形狀的資料。
MOBILion 公司業務拓展與企業戰略部門主管 Laura Maxon 說，SLIM 可以在短時間內揭示出那些我們看不見的東西。SLIM 的第一次迭代——MOBILion 測試版在 2020 年第二季度提供給了合作者。它是為製藥或臨床研究等領域的科學家設計的。
Maxon 指出，與現有技術相比。這一次的價格更有競爭力，而且該公司計劃設計一種儀器，這種儀器可以用於臨床——識別疾病的生物標誌物。
“我們現在所看到的這些，從 MOBILion 到 SLIM，都只是冰山一角，”McLean 說，“從分析學的角度來說，仍然有許多尚未被開發的潛質。”所以，“人們真的可以期待這些技術的巨大革新。“
獲獎評語：離子選擇性色譜是生物化學的核心。這是微電子技術與生物技術的完美結合。
原文連結：https://www.the-scientist.com/features/2020-top-10-innovations-68176
作者｜The Scientist 團隊
編譯｜C。