2013年即將過去，回顧這一年來的生物科技發(fā)展和行業(yè)形勢變化，感慨萬千。現(xiàn)在，上海信帆生物就幫大家盤點(diǎn)一下這一年來的幾大突破性生物技術(shù)：

基因組編輯技術(shù)CRISPR

一種可利用導(dǎo)向RNA分子靶向裂解DNA的細(xì)菌酶，一直以來被用作為一種可編程工具，位點(diǎn)特異性修改從細(xì)菌、人類細(xì)胞到斑馬魚等生物及細(xì)胞的基因組。CRISPR系統(tǒng)是細(xì)菌RNA 干擾系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)其在霍亂弧菌中防御噬菌體免疫系統(tǒng)帶有噬菌體基因組。zui終發(fā)現(xiàn)噬菌體編碼自身的CRISPR/Cas 系統(tǒng)，進(jìn)而逃避宿主的天然免疫。

今年的1月，有四個課題小組都報道稱他們對這種細(xì)菌免疫機(jī)制進(jìn)行了成功的應(yīng)用嘗試——對人類細(xì)胞里的特定基因進(jìn)行了定向破壞。科學(xué)家們將這種技術(shù)稱作 CRISPR 技術(shù)。在隨后的8個月里，更多的實(shí)驗室也開始使用這種技術(shù)，對人類細(xì)胞、小鼠、大鼠、斑馬魚、細(xì)菌、果蠅、酵母細(xì)胞、線蟲和多種農(nóng)作物進(jìn)行了大量的試驗，成功地對基因進(jìn)行了定向缺失、插入、活化或抑制等遺傳改造操作，從各個方面證明了 CRISPR 技術(shù)的潛在應(yīng)用價值。雖然生物學(xué)家們zui近也開發(fā)出了幾種新方法，可以對基因進(jìn)行更加的操作，但是美國哈佛大學(xué)（Harvard University）的George Church 認(rèn)為， CRISPR 技術(shù)的率和易用性還是其他技術(shù)無法匹敵的。

科學(xué)家們可以使用 CRISPR 技術(shù)，用比以往快得多的速度構(gòu)建人類疾病的小鼠動物模型，也能以更快的速度對基因進(jìn)行研究，而且還可以一次對細(xì)胞內(nèi)的多個基因進(jìn)行遺傳學(xué)改造，研究這些基因之間的相互作用。雖然伴隨著近年來逐漸流行起來的的 CRISPR 技術(shù)狂潮，也慢慢暴露出了這項技術(shù)的一些不足和限制，使這股熱潮進(jìn)一步蔓延的速度有所減退，但是Church和其它的 CRISPR 技術(shù)們還是堅信，這項技術(shù)有著美好的前景，他們還組建了公司，希望能夠利用 CRISPR 技術(shù)治療各種遺傳性疾病。

納米成像技術(shù)

今年3月的《科學(xué)通報》中，匯集了來自華中科技大學(xué)，上海交通大學(xué)，東南大學(xué)，華南師范大學(xué)等多處研究機(jī)構(gòu)，關(guān)于納米生物成像的進(jìn)展，包括涉及基于金納米粒子的熒光分子信標(biāo)，靶向多肽連接的量子點(diǎn)，水相合成量子點(diǎn)常用的方法， 以及其在細(xì)胞成像及活體成像中的應(yīng)用等等各個方面的內(nèi)容，從不同的側(cè)面反映了當(dāng)前納米生物成像的某些、國內(nèi)動態(tài)，精彩紛呈。

納米生物成像技術(shù)將納米生物技術(shù)引入到各種成像方法中以提高成像的質(zhì)量， 同時納米生物成像的需求也不斷促進(jìn)著納米生物技術(shù)的發(fā)展。目前基于納米材料構(gòu)建的分子影像探針， 已在生命科學(xué)基礎(chǔ)研究和研究醫(yī)學(xué)應(yīng)用中受到越來越多的關(guān)注， 特別是在實(shí)時、動態(tài)、高靈敏成像方面具有廣闊前景。

生物成像領(lǐng)域已經(jīng)可以采用各種顯微技術(shù)和共聚焦等技術(shù)了，這提高了圖像的度，但是要觀察的深層組織活動，因此在一些活體成像，組織深部觀察等方面還需要更多的技術(shù)進(jìn)步。Cell雜志以“Review Focus: Imaging"為中心，介紹了生物成像研究方面的進(jìn)展，其中特別提及了活體熒光顯微技術(shù)今年來的新成果，認(rèn)為這項技術(shù)嶄露曙光，在細(xì)胞生物學(xué)，神經(jīng)科學(xué)，腫瘤生物學(xué)等多方面發(fā)揮作用。

3D打印技術(shù)

3D生物打印技術(shù)可讓科研人員另辟途徑地制造人體替換器官，雖然將其應(yīng)用于醫(yī)療服務(wù)領(lǐng)域還需很長一段時間，但是科學(xué)家相信隨著3D生物打印技術(shù)以及再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展進(jìn)步，將zui終實(shí)現(xiàn)人體器官的個性化定制。

3D打印技術(shù)的原理與普通打印機(jī)的基本相同，將裝有液體或細(xì)胞等“生物材料"，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料"一層層疊加起來，zui終把計算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。

今年8月，杭州電子科技大學(xué)生物工程專業(yè)的徐銘恩教授帶領(lǐng)團(tuán)隊，研發(fā)出了*臺生物3D打印機(jī)，能夠直接打印出人體活細(xì)胞。利用這些細(xì)胞的基礎(chǔ)，打印機(jī)還可以打印諸如骨骼修復(fù)器件、人工器官等生物材料。這些從打印機(jī)里誕生的材料，將來可以幫助人們進(jìn)行組織修復(fù)，臟器移植，美容整形。

這臺生物3D打印機(jī)，除了可以打印多種生物材料，還能打印人體活細(xì)胞，從而直接打印出“活"的組織。打印出來的臟器，如骨骼、血管等，zui珍貴的“品質(zhì)"是要能和人類“相生相依"。首先要讓人體接納它們，然后實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的組織和器官功能。徐銘恩表示，部分打印出來的組織融合試驗，已經(jīng)在老鼠身上獲得成功。“但是，目前，我們的打印機(jī)，打印出來的單元器官，‘塊頭’要比人體真正的器官大5倍，并且能打印的活細(xì)胞種類還不多，包括后期要怎樣使得各種活細(xì)胞自然組合、共同生成人工臟器，我們可能還需要至少10年的時間。"

宏基因組學(xué)測序技術(shù)

長期以來，對微生物（microorganism）功能開展的研究主要依賴的都是以在實(shí)驗室里培養(yǎng)的單一物種（individual specie）為對象獲得的研究成果。大約在10年前，科研人員們開始獲得自然環(huán)境中存在的、非人工培養(yǎng)的細(xì)菌或古細(xì)菌（archaea）的基因組草圖，這些基因組數(shù)據(jù)為科研人員們了解這些微生物在自然環(huán)境中的作用打開了一條新的渠道。這就是所謂的宏基因組學(xué)（metagenomics）技術(shù)，該技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)可以做到從多個不同的環(huán)境樣本中快速、準(zhǔn)確地獲得環(huán)境微生物的基因組序列。這些成果有可能會我們對生命之樹結(jié)構(gòu)，以及各個物種代謝能力的理解和認(rèn)識。生物信息學(xué)的飛速發(fā)展也提供了另外一種便利，由于能夠全面了解遺傳信息和數(shù)據(jù)，所以能夠快速地為這些宏基因組數(shù)據(jù)在醫(yī)學(xué)診斷、農(nóng)業(yè)、法醫(yī)以及生物技術(shù)等應(yīng)用領(lǐng)域里找到合適的位置和用途。

宏基因組學(xué)技術(shù)是一種不需要進(jìn)行微生物培養(yǎng)的微生物研究方法，可以直接對取自環(huán)境里的微生物樣品進(jìn)行分析和研究。整個流程是先將樣品里的DNA提取出來，進(jìn)行測序，然后用計算機(jī)軟件對測序結(jié)果進(jìn)行分析。這種方法至少解決了兩個非常重要的問題。首先，該技術(shù)能夠讓我們對大自然里99%的微生物（這些都還是沒能在實(shí)驗室里成功培養(yǎng)的微生物）進(jìn)行分析和研究。其次，可以對整個大環(huán)境里的微生物進(jìn)行研究。

隨著測序技術(shù)不斷發(fā)展，測序的速度、精度、信息豐富程度都有了大幅度的提升，高通量的宏基因組學(xué)技術(shù)也逐漸具備了給要求更快、更準(zhǔn)確、特異性更高的整個測序診斷領(lǐng)域帶來革命性改變的能力。更重要的是，如果掌握了生命之樹中很多之前還沒有被發(fā)現(xiàn)的基因組信息，將極大地豐富我們對生命和進(jìn)化歷程的認(rèn)識和了解。

產(chǎn)前DNA檢測技術(shù)

2013年1月7日，銷量zui大的DNA測序儀生物試劑商、美國Illumina公司以3.5億美元收購了Verinata公司。吸引Illumina的是Verinata的*技術(shù)：對未出生胎兒進(jìn)行DNA測序。

Verinata是美國快速發(fā)展的產(chǎn)前DNA檢測市場中使用Illumina測序儀的四家公司之一。該公司采用的新檢測技術(shù)是通過一小管母親血液中痕量的胎兒DNA而檢測唐氏綜合癥。在以前，唐氏綜合癥檢測意味著要從胎盤或羊水中獲取胎兒的細(xì)胞，這些方式都具有一定的流產(chǎn)風(fēng)險。

這種無創(chuàng)篩選技術(shù)更加安全方便，使得產(chǎn)前DNA檢測很容易被接受，因此也成為Illumina測序儀在醫(yī)學(xué)上的一個重要的新應(yīng)用，而在此之前，測序儀主要用于實(shí)驗室研究。Illumina公司總裁杰伊•弗拉特利預(yù)計在美國每年將有200萬女性進(jìn)行這種檢測，占了所有孕婦數(shù)量的一半。

唐氏篩查可能還僅僅是產(chǎn)前DNA測序的開始。一些和Verinata一樣推出唐氏綜合癥檢測的實(shí)驗室和公司還宣稱他們已經(jīng)掌握了如何從母親的血液中獲取更多信息，包括胎兒全基因組序列。這是技術(shù)上的突破，可能也是商業(yè)的突破。

PCI意識測量技術(shù)

對于大多數(shù)人而言，意識和無意識狀態(tài)很容易區(qū)分，但對一些腦損傷患者來說，兩者之間就很難區(qū)分了。今年8月， 神經(jīng)學(xué)家們設(shè)計出一種腦活動單一度量標(biāo)準(zhǔn)，將有助于區(qū)分不同的意識狀態(tài)，并指導(dǎo)腦損傷患者的醫(yī)學(xué)治療。目前，相關(guān)研究報告發(fā)表于Science Translational Medicine期刊上。

一種理論認(rèn)為，在有意識的大腦中，每個不同的神經(jīng)元群都在起著其自身的特定的計算作用，但它們也仍然能夠與其他神經(jīng)元群進(jìn)行溝通。換言之，它們會互動并計算。當(dāng)大腦失去這種復(fù)雜性時，神經(jīng)元或者會變得更為均一，或者它們的溝通能力受到損害。意大利米蘭大學(xué)的教授Marcello Massimini博士帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊以此為線索設(shè)計出一種腦活動單一度量標(biāo)準(zhǔn)，將有助于區(qū)分不同的意識狀態(tài)。

在的研究中，Massimini研究小組提出一種新方法來檢測大腦復(fù)雜性，即有多少信息流動正在大腦中發(fā)生。該方法被稱作擾動復(fù)雜性指數(shù)（PCI）。在整個過程中，研究人員使用一個強(qiáng)力的磁刺激對整個大腦進(jìn)行一次輕微的“震動"，并記錄神經(jīng)元的反應(yīng)。PCI可以區(qū)別以上所有的狀態(tài)。這種指數(shù)是基于對EEG復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析，從0至1評判人們的意識性水平。研究中*清醒的樣本的PCI為0.6以上，處于輕度睡眠的樣本PCI約為0.4，而處于深度睡眠的樣本的PCI大約為0.2。被麻醉的被試者PCI低至0.12，這意味著他們處于無意識的深度狀態(tài)。麻醉強(qiáng)度越大，PCI值越低。

Massimini認(rèn)為，基于對大腦復(fù)雜性產(chǎn)生的效應(yīng)，PCI技術(shù)無需患者從事任何有關(guān)感覺、運(yùn)動或認(rèn)知的任務(wù)，可以客觀的同時從數(shù)量角度評價藥物或者大腦刺激療程的功效。因此，該技術(shù)能夠幫助內(nèi)科醫(yī)生檢測治療的效果。

基因芯片技術(shù)

目前大部分基因芯片的應(yīng)用目前仍于科研水平，這項技術(shù)似乎已轉(zhuǎn)向應(yīng)用于個體化醫(yī)療的研究應(yīng)用。事實(shí)上，一些產(chǎn)品已經(jīng)能用于醫(yī)學(xué)診斷，并且有更多的產(chǎn)品已經(jīng)在研發(fā)當(dāng)中。未來，這一技術(shù)將很可能成為科研和研究應(yīng)用中一項很有用的工具。

通過現(xiàn)有的技術(shù)，人們可以輕而易舉地從基因組中收集信息，而棘手的方面在于如何解析這些信息的研究相關(guān)性。華盛頓大學(xué)圣路易斯醫(yī)學(xué)院基因組技術(shù)促進(jìn)中心聯(lián)合主任Seth Crosby發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移，研究醫(yī)生可能會開始掌握哪些基因組的變化會影響樣本的健康，而哪些是無害的。他說：“一旦這些相關(guān)和不相關(guān)基因的列表范圍逐漸縮小，而我們也領(lǐng)會到哪些多態(tài)性是重要的，這就可以用來打造非常廉價的芯片，有助于疾病的檢測。"

除了經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢以外，基因芯片也提供了可掌控的數(shù)據(jù)數(shù)量。就像Crosby所解釋的，“大部分基因組是沒有變異的"。因此，通過基因芯片，“我們可以只收集我們所需要的數(shù)據(jù)。"

為了將基因芯片應(yīng)用于研究診療，醫(yī)生們需要那些經(jīng)過認(rèn)可的工具。Pathwork診斷公司（加州雷德伍德市）的Pathwork組織起源檢測中使用的經(jīng)FDA認(rèn)證的診斷工具，是利用昂飛芯片去判定樣本癌癥起始的組織類型，如乳腺或結(jié)腸。

除了可以用于研究個體的遺傳特征外，基因芯片還可以用于探索不同群體和培養(yǎng)物間的遺傳差異。例如，加州圣地亞哥Illumina公司研發(fā)出了名為Infinium HumanCore BeadChip的基因芯片家族，能夠提供群體水平或生物樣本庫研究的解決方案。這些基因芯片能夠容納大量的樣本，讓科研人員可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的統(tǒng)計分析，這些分析能夠揭示健康和疾病群體間遺傳變異分布的差異。為了趕上技術(shù)的改變，一些公司開始提供服務(wù)，未來 基因芯片將會繼續(xù)服務(wù)于基礎(chǔ)研究，并提供基因組學(xué)相關(guān)的研究工具。zui終，基因芯片將會在其功效發(fā)揮zui出眾的領(lǐng)域繼續(xù)前進(jìn)。

快速癌癥檢測技術(shù)

今年11月17日，清華大學(xué)生命學(xué)院羅永章教授研究組在上發(fā)現(xiàn)Hsp90α(熱休克蛋白90α)為一個全新的腫瘤標(biāo)志物。患者只需提供一些血液，通過試劑盒檢測，即可用于病情監(jiān)測和治療效果的評價，為指導(dǎo)腫瘤個體化治療提供輔助依據(jù)。自主研發(fā)的Hsp90α定量檢測試劑盒已通過研究試驗驗證，獲得了國家第三類(zui高類別)醫(yī)療器械證書，并通過了歐盟認(rèn)證，從此獲準(zhǔn)進(jìn)入中國和歐盟市場。

這是人Hsp90α被發(fā)現(xiàn)24年來，*將其用于研究的產(chǎn)品，對于提高腫瘤患者的病情監(jiān)測和療效評價水平、實(shí)現(xiàn)腫瘤個體化治療具有重要推動作用。2011年，美國國家癌癥研究院公布了31個被明確用于癌癥檢測的產(chǎn)品，其中以血液為檢測對象的有17個，均由外國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)和定義，至今尚無中國自主發(fā)現(xiàn)的腫瘤標(biāo)志物在研究中被廣泛應(yīng)用和認(rèn)可。羅永章課題組在重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，與普羅吉生物科技發(fā)展有限公司合作，攻克了一系列技術(shù)難題，成功研發(fā)出了性能穩(wěn)定的“Hsp90α定量檢測試劑盒"，并通過2347例研究試驗，成功證明Hsp90α是肺癌相關(guān)腫瘤標(biāo)志物，可用于患者病情監(jiān)測和療效評價。同時，Hsp90α腫瘤標(biāo)志物具有廣譜特性，其用于肝癌、乳腺癌、結(jié)直腸癌、前列腺癌、胰腺癌、胃癌等其他多個瘤種的研究試驗也將在近期完成。

羅永章介紹說，與其他腫瘤檢測手段相比，腫瘤標(biāo)志物更方便快捷，成本也大大降低。患者只需取一滴血液，通過“Hsp90α定量檢測試劑盒"檢測血漿中Hsp90α的含量，即可用于病情監(jiān)測和治療效果的評價，為指導(dǎo)腫瘤個體化治療提供輔助依據(jù)。