你应该了解的十大生物技术创新成果

0

詹妮弗-胡恩, 自由职业者生物化学家 在Kolabtree网站上,概述了当今市场上的十大生物技术创新。阅读关于顶级生命科学产品和服务以及它们背后的公司。  

在过去10年中,生物技术创新稳步增长,不仅在医疗领域,而且在农业、环境和能源部门。几乎所有这些 生物技术 创新涉及基因工程、诊断或检测,反映了合成生物学对当前生物技术发展的重要性。以下是正在改变该行业的十大生物技术创新。 

 1.单细胞技术

单细胞技术提供了细胞环境的详细视图,是用于药物发现和临床研究的重要工具。连同 下一代测序单细胞技术揭示了细胞群的更真实的情况,这对了解肿瘤环境的异质性特别重要。由于这些技术主要用于研究环境,一些合同研究公司提供带有特定DNA板的单细胞测序和分析平台。例如。 任务简介 他们的Tapestri平台为研究人员提供了一个两步的微流控工作流程,结合单细胞测序对特定人群中的每个细胞进行基因分析[1]。通过使用特定的DNA板,如急性淋巴细胞白血病板[1],可以实现疾病特异性分析。单细胞分析通常需要多台机器和独立的协议,但伯克利之光更进一步,开发了一台机器,可以同时逐一处理和分析细胞。Beacon能够在一个包含数万个微小细胞室的光流体芯片中进行多种单细胞操作[2]。通过使用光诱导电泳,特定的细胞被分割开来进行进一步的分析,如药物发现公司所展示的抗体重排筛选。 ǞǞǞ [2, 3].最近还推出了 "闪电",以满足T细胞的特定研究[4]。

2.合剂生物传感器 

葡萄糖监测器、妊娠试验和重金属传感器只是自20世纪60年代以来开发和使用的基于生物传感器的探测器中的几个[5]。生物传感器由酶、抗体或微生物组成,能够对被检测的化合物进行读出。较新的传感器技术集中在基于核酸诱导体的方法上,因为它们有可能比早期的方法更敏感、更稳定、更有成本效益。 合剂生物传感器 通常是通过使用指数富集法(SELEX,[6])对配体进行系统化进化而开发的,它产生稳定的DNA或RNA分子,对其目标具有高度选择性。对于样本复杂度高的环境测试或医疗诊断,适配体可能正是正确的分子类型,一些公司已经专注于开发用于这些目的的适配体。例如,总部位于韩国的Aptamer Sciences公司开发了一种名为AptoDetect-Lung的体外诊断测试,通过检测七个肺癌生物标志物来评估病人患肺癌的风险[7]。与CT扫描检查相比,该测试被证明能提高诊断的准确性[8]。AptoDetect-Lung最近被韩国食品和药品安全部授予诊断许可[7]。

3.目前的细胞疗法 

慢性疾病的管理有时需要反复的药物治疗,但想象一下,如果有一种方法可以将药物送到它需要的地方。 它是需要的,自动的。这就是科学家们正在开发药物输送细胞疗法的地方[9]。在1型糖尿病患者中,受损的胰岛β细胞导致胰岛素缺乏和血糖堆积,造成尿频、多渴和头痛等症状[10]。一种可能的解决方案正在被开发 Seraxis植入式设备:一种由实验室培养的胰腺细胞组成的植入式设备,可直接对病人的血糖水平做出反应[11]。该设备包含由诱导多能干细胞(iPSCs)制造的胰岛细胞,旨在为这些患者消除药物治疗。另一家目前正在开发可植入式一次性治疗的公司是位于奥克兰的 活细胞技术.他们的NTCell疗法包括一个含有新生儿脉络丛细胞的藻酸盐包裹的胶囊,被植入帕金森病患者的大脑中[12]。脉络丛细胞提供脑脊液、有丝分裂原和其他支持神经元生长和功能的因素[12]。2013年,活细胞技术公司赞助了世界上第一个再生细胞治疗帕金森病的临床试验,目前正在评估NTCell,以便进一步研究。

4.干细胞的应用

自20世纪80年代初以来,科学家们一直在研究其中的条件和控制身份。 干细胞 分化。通过控制分化产生所需细胞类型的能力被证明在药物开发、再生医学和有价值的生物材料制造等领域具有重要的工业意义。例如,一家位于加拿大的公司。 诺伟信美国加州大学伯克利分校为希望对心脏疾病进行药物测试的研究人员开发了一种解决方案。他们的MyHeart平台利用iPSCs生成人类心脏组织或器官模型,如他们的人类心室类器官室(或人类心缸),这比临床前开发过程中通常使用的动物模型更接近实际的人类心脏环境[13, 14]。MyHeart旨在更准确地预测新药物在进入临床试验前的效果。另一家公司专注于将干细胞技术直接带到需要的地方。 血小板生物创生2014年,一家位于马萨诸塞州的初创公司,正在开发一种用于现场细胞治疗的按需移动的生物反应器,例如在军事医疗站[15, 16]。该生物反应器制造iPSC衍生的血小板样细胞,目前正在开发用于治疗血液凝固疾病,如免疫性血小板减少症[16]。

 干细胞技术当然不限于医学研究和治疗,这一点从投资于培养肉和替代蛋白质的公司数量中可以看出。利用细胞农业,一些公司如 未来领域, 孟菲斯肉食,以及 超级肉类 正在开发实验室培育的鸡肉、牛肉、鸭肉、鸡蛋和牛奶。第一个汉堡饼是2013年在马斯特里赫特大学的马克-波斯特的实验室里生产的,但价格非常昂贵,约为$30万美元[17, 18]。自那时起,各公司竞相降低制造成本,总部设在以色列的超级肉食公司可能在这场竞赛中处于领先地位:今年10月在他们的餐厅The Chicken推出了第一个实验室培育的鸡肉品尝菜单[19,20]。

5.基于CRISPR的平台

自从发现了 化脓性链球菌 由Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier[21]的小组进行的CRISPR-Cas9适应性免疫反应,他们都是今年的诺贝尔化学奖得主,一些基于CRISPR的公司已经成立。然而,第一个商业应用实际上始于2007年,当时丹尼斯克公司(2011年被杜邦公司收购)的科学家在其一种酸奶细菌的基因组中发现了短的重复序列。 嗜热链球菌 [22, 23].他们确定这些是簇状有规律间隔的短回文重复(CRISPR),被用于 嗜热菌(S. thermophilus 以抵御噬菌体的感染[23]。杜邦公司后来利用他们的发现,在他们的酸奶制作过程中设计了抗噬菌体的菌株[22, 23]。大约十年后,各种CRISPR-Cas系统的特征已经被描述出来,直到原子结构,其中CRISPR-Cas9的研究最为广泛。

开发具有工业重要性的生物体的趋势一直持续到今天,而且利用CRISPR-Cas9技术,比以往任何时候都快。 合成基因组学与Exxon Mobile公司合作,正在开发CRISPR编辑的微藻,以增强脂质产出,这将通过减少二氧化碳排放量来改善石油生产。2 排放和对化石燃料的依赖[24, 25]。PLANTeDit和Toolgen正在使用CRISPR-Cas9来设计可持续的作物,如大豆,而不引入外来的DNA[26]。这被称为无DNA基因组编辑,虽然他们的作物将被修改基因,但他们将绕过转基因生物的监管障碍[26]。

第一批以CRISPR为基础的治疗方法进入人体临床试验的公司是 CRISPR治疗学 顶点药业 在2018年[27-29]。CTX001是一种 体外 正在研究用于治疗β-地中海贫血和镰状细胞贫血的疗法[30]。该疗法涉及提取患者的造血干细胞,使用CRISPR-Cas9进行基因改造,并将细胞重新引入患者体内。虽然CTX001的临床评估仍处于早期阶段,但初步结果(今年6月公布)显示该疗法对血红蛋白病患者有潜在的好处[31]。

6.定向进化平台

2018年,Frances Arnold、George Smith和Gregory Winter因其在酶、肽和抗体的定向进化方面的研究而被授予诺贝尔化学奖[32]。定向进化平台通常涉及生成大型、随机的基因库,表达感兴趣的基因变体。通过选择那些表现出所需特性(如增加配体结合或催化活性)的蛋白质变体来筛选这些库。这个过程通常是通过在选定的变体基础上筛选更多的文库来重复进行的,直到达到一个选择截止点。许多基于蛋白质的治疗方法都是利用这一过程开发的。Humira (AbbVie)。 吕莫西提 (MedImmune),以及 Gamifant(NovImmune)[33]。

一家公司在定向进化技术上进行了扩展。 Carmot Therapeutics位于伯克利的一家药物发现公司开发了Chemotype Evolution平台来识别新型药物。在Chemotype Evolution过程中,一组小分子被链接到一个专有的片段集,以产生一个候选药物库。该库针对人类目标进行筛选,被选中的候选药物被提交给进一步的连接和选择,直到候选药物演变成一个高亲和力的结合分子[34]。利用Chemotype Evolution,Carmot确定了两个候选化合物,目前正在进行临床试验[34]。其他公司正在使用定向进化来生成微生物平台。位于圣地亚哥的生物技术公司Primordial Genetics正在开发一个平台,通过名为Function Generator的组合遗传学产生大型微生物库[35]。功能生成器使他们能够选择有可能解决一系列问题的特定微生物,从确定用于生物燃料生产的耐压酵母到能够有效降解塑料的微生物[35]。

7.基于微生物的创新 

2007年,美国国家卫生研究院启动了人类微生物组计划(HMP),为微生物组研究提供资金支持、参考数据库和其他资源[36]。因此,HMP的建立促进了研究产出的蓬勃发展,同时资金援助也大幅增加[36]。多年来产生的主要是计算和统计研究工具(由于产生了巨大的数据集)和一些微生物组公司。其中许多公司专注于人类疾病的治疗,如恢复皮肤微生物组的局部解决方案(AOBiome,[37])或利用肠道细菌的药物输送(Blue Turtle Bio,[38]),而一些公司则以其他方式使用微生物组技术。 阿斯特生物 开发了环境基因组学平台,以帮助他们的客户监测液体废物的输出,防止自然水体的污染[39]。该平台通过检测关键微生物特有的遗传生物标志物对废物样本进行剖析,告知潜在的操作问题(如氨气清除不足),并指导废水处理[39]。基于Sunnyvale的 花旗集团 也在研究废物,但打算将微生物组分析直接带入家庭[40]。他们的便携式微生物组设备是为那些对慢性病的自我监测感兴趣的客户设计的,或者通过分析粪便样本的微生物组来跟踪伴侣动物的健康[40]。虽然不能确定有多少人愿意在家里分析自己的大便,但Floragraph为微生物组分析带来了便携性、成本效益和可及性。对于现场的医疗和研究应用,这个设备可能正好满足了需求。

8.DNA硬盘驱动器

从早期的电子数据存储系统,如磁鼓和软盘,我们已经走过了很长一段路。技术的进步使我们的数据存储容量增加了巨大的数量级,从几十千字节(磁鼓)到PB级范围(云服务器)[41]。随着这种巨大的存储空间的出现,也需要巨大的物理空间来容纳支持云的服务器群。科学家们在1988年首次研究了使用DNA分子进行数据存储,将35位的1和0编码成5乘7的方形图像插入到 大肠杆菌 基因组[42, 43]。从那时起,各种机构和公司已经投入精力开发基于DNA的数据存储系统,因为与维持服务器群相比,成本、能源使用和空间都大大减少[42]。值得注意的是,据估计,存储世界上所有的数据将被压缩成仅仅1公斤的DNA[42]。那么,一个人如何将他们的照片或音乐 "上传到 "DNA中?科学家们在 华盛顿大学和微软 在他们对自动DNA存储系统的概念验证研究中,试图解决这个问题[44]。他们证明了他们的设备能够将一个5字节的 "你好 "编码成DNA序列,合成、存储、测序DNA并检索 "你好"[44]。整个过程花了21个小时,今天要存储一张照片是不现实的。但考虑到这种技术的发展速度,在不久的将来看到它的出现将不足为奇。

9.DNA折纸 

DNA和RNA中核苷酸的碱基配对使它们成为具有 "自我组装 "能力的诱人生物分子材料。这一点在2000年代中期被不同的研究小组所证明[45-47],包括保罗-罗特蒙德提出了一种将DNA组装成二维正方形、三角形、快乐面孔和其他形式的方法[48]。2017年,几个研究实验室能够构建最大的DNA纳米结构:大型纳米棒、砖块和瓦片,它们聚集在一起形成巨大的结构,长度在数百纳米到超过一微米之间[49-51]。这些研究展示了清晰的DNA纳米结构的3维图像,表明核酸可以被设计成任何数量的结构,在医学、电子学和生物材料方面具有应用潜力。目前,DNA折纸正在被开发用于生成药物输送平台(遗传球)、诊断性纳米机器人(楠木),以及用于代谢物生产等应用的酶包覆纳米织物(布料纳米)[52].Nanovery的纳米机器人是利用人工智能设计的,用于检测循环肿瘤DNA(ctDNA)[53]。他们的诊断性纳米机器人旨在取代目前需要大量时间和成本的ctDNA的液体活检测试。纳米机器人被插入血样中,如果检测到癌变的DNA,会在1-2小时内亮起。随着癌症DNA的突变不断积累,Nanovery打算不断发展他们的纳米机器人以检测这些新的突变[53]。

10.医学中的人工智能

虽然人工智能和机器学习不被认为是生物技术,但由于其在医学领域的影响,它们值得一提。在过去的十年里,人们对基于人工智能的医疗应用的研究兴趣大大增加,从2010年(596篇论文)到2019年(12422篇),相关出版物增加了20倍[54]。在撰写本文时,根据格罗宁根大学和医学未来学家研究所进行的一项研究,有70多个市场批准的人工智能算法用于医疗应用[54, 55]。这些应用中有许多使用基于图像的机器学习算法来分析、诊断或评估疾病。 Qlarity Imaging的QuantX 软件是放射科医生更快速、准确地识别乳房MRI图像上的异常点的一种辅助手段[56]。在一项评估放射科医生正确识别MRI图像中恶性病变能力的临床研究中,放射科医生在使用QuantX软件时表现更好[57]。对开发完全自主的医疗机器人的研究兴趣尤其浓厚,目前正在对其进行训练以完成非常具体的任务。IDx-DR设备,由 数字诊断法该系统捕捉视网膜图像以诊断糖尿病视网膜病变,这是糖尿病患者失明的原因之一[58]。图像由训练有素的人工智能机器进行分析,以检测蛋白质沉积和渗出物等生物标志物,并在30秒内输出诊断报告。目前还在努力开发完全自主的手术机器人、家庭医疗助理和心理健康支持机器人。

参考文献

  1.       任务简介.可从: https://missionbio.com/products/platform/.
  2.       Mocciaro, A., et al, 在纳米流体装置上选择编辑克隆的光激活细胞识别和分选(LACIS)。 Commun Biol, 2018.1: p. 41.
  3.       Shafer, E., Aldevron现在使用Berkeley Lights的Beacon®平台 - Aldevron新闻.
  4.       Berkeley Lights - The Lightning™ Optofluidic System.可从: https://www.berkeleylights.com/systems/lightning/.
  5.       Mehrotra, P.。 生物传感器及其应用--回顾。 J Oral Biol Craniofac Res, 2016.6(2): p. 153-9.
  6.       McConnell, E.M., J. Nguyen, and Y. Li。 基于色氨酸的环境监测生物传感器。 Front Chem, 2020.8: p. 434.
  7.       Aptamer Sciences - AptoDetect™-Lung.可从: http://aptsci.com/en/diagnosis/aptodetect-lung/.
  8.       Aptamer Sciences - 产品介绍.可从: http://aptodetect-lung.com/en/aptodetect-lung/.
  9.       Lee, S.Y., 植入式造药细胞科学美国人. 2018.
  10.     Katsarou, A., et al, 1型糖尿病。 Nat Rev Dis Primers, 2017.3: p. 17016.
  11.     Seraxis Technologies - 细胞替代的创新方法.可从: https://www.seraxis.com/seraxis-technology/.
  12.     活细胞技术 - NTCell.可从: https://lctglobal.com/research/ntcell#click-here.
  13.     Li, R.A., et al, 从人类多能干细胞中生物工程出一个具有电子机械功能的微型心室。 Biomaterials, 2018.163: p. 116-127.
  14.     诺伟信.可从: http://www.novoheart.com/hk/product5.
  15.     血小板生物创世公司获得医疗技术企业联盟的$230万美元奖金,以加速开发不依赖捐赠者的血小板生产.
  16.     血小板生物创生.可从: https://www.plateletbio.com/product-development

       

    Datar, I. 马克-波斯特的腌制牛肉.可参见:new-harvest.org/mark_post_cultured_beef。
  17.     Fountain, H, 建立一个$325,000汉堡包.
  18.     鸡的故事.
  19.     超级肉食者》视频.可从: https://vimeo.com/473309639.
  20.     Jinek, M., et al, 适应性细菌免疫中的一种可编程双RNA引导的DNA内切酶。 科学》,2012年。337(6096): p. 816-21.
  21.     科恩,J.。 关于CRISPR的战线是如何划分的科学》杂志. 2017.
  22.     Barrangou, R., et al, CRISPR为原核生物提供了对病毒的获得性抵抗。 科学》,2007年。315(5819): p. 1709-12.
  23.     Verruto, J., et al, 无限制的无标记性状堆积在。 Proc Natl Acad Sci U S A, 2018.115(30): p. E7015-E7022.
  24.     合成基因组学。藻类细胞工厂.可从: https://syntheticgenomics.com/algal-cell-factories/.
  25.     PLANTeDit - 非转基因高油酸大豆.可从: https://plantedit.com/index.php/products/.
  26.     Saey, T.H., CRISPR进入首次人体临床试验阶段. 2019.
  27.     CRISPR Therapeutics和Vertex宣布研究性CRISPR/Cas9基因编辑疗法CTX001的临床开发计划取得进展 - 新闻稿 CRISPR Therapeutics. 2019.
  28.     临床试验。 NCT03655678.可从: https://www.clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03655678.
  29.     CRISPR治疗学--血红蛋白病.可从: http://www.crisprtx.com/programs/hemoglobinopathies.
  30.     CRISPR Therapeutics和Vertex在第25届欧洲血液学协会(EHA)年会上公布了研究性基因编辑疗法CTX001™在严重血红蛋白病中的新临床数据 - 新闻稿 CRIPSR Therapeutics. 2020.
  31.     2018年诺贝尔化学奖https://www.nobelprize.org/images/arnold-57918-portrait-mini-2x.jpg" media="(min-width: 220px)" srcset="https://www.nobelprize.org/images/arnold-57918-portrait-mini-2x.jpg" style="-webkit-font-smoothing: antialiased;">https://www.nobelprize.org/images/arnold-57918-portrait-small-2x.jpg" media="(min-width: 900px)" srcset="https://www.nobelprize.org/images/arnold-57918-portrait-small-2x.jpg" style="-webkit-font-smoothing: antialiased;">https://www.nobelprize.org/images/arnold-57918-portrait-medium-2x.jpg" media="(min-width: 1400px)" srcset="https://www.nobelprize.org/images/arnold-57918-portrait-medium-2x.jpg" style="-webkit-font-smoothing: antialiased;">.可从: https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2018/summary/.
  32.     Lu, R.M., et al, 开发用于治疗疾病的治疗性抗体。 J Biomed Sci, 2020.27(1): p. 1.
  33.     Carmot Therapeutics - 技术.可从: https://carmot-therapeutics.us/science/.
  34.     原始遗传学--功能发生器TM.可从: https://www.primordialgenetics.com/our-platform/.
  35.     团队,N.H.M.P.A.。 2007-2016财年美国国家卫生研究院人类微生物组研究活动10年回顾。 Microbiome, 2019.7(1): p. 31.
  36.     AOBiome.可从: https://www.aobiome.com/.
  37.     蓝海龟生物.可从: https://blueturtlebio.com/.
  38.     阿斯特贝尔生物公司.可从: https://www.asterbio.com/.
  39.     花旗集团.可从: http://www.floragraph.me/technology-overview.html.
  40.     计算机历史博物馆--计算机历史年表.可从:computerhistory.org/timeline/memory-storage/。
  41.     安迪,E.。 DNA如何能存储世界上所有的数据. 2016.
  42.     戴维斯,J.。 微量元素。 Art Journal, 1996.55(1): p. 70-74.
  43.     Takahashi, C.N., et al, DNA数据存储的端到端自动化演示。 Sci Rep, 2019.9(1): p. 4998.
  44.     Chworos, A., et al, 用RNA构建可编程的拼图。 科学》,2004年。306(5704): p. 2068-72.
  45.     Park, S.H., et al, 通过分层组装程序形成的有限大小、完全可寻址的DNA瓦片格。 Angew Chem Int Ed Engl, 2006.45(5): p. 735-9.
  46.     Rothemund, P.W., et al, 可编程DNA纳米管的设计和表征。 J Am Chem Soc, 2004.126(50): p. 16344-52.
  47.     Rothemund, P.W., 折叠DNA以创造纳米级的形状和图案。 自然》,2006年。440(7082): p. 297-302.
  48.     Wagenbauer, K.F., C. Sigl, and H. Dietz, 千兆吨级的形状可编程的DNA组合体。 自然》,2017年。552(7683): p. 78-83.
  49.     Tikhomirov, G., P. Petersen, and L. Qian, 具有任意图案的微米级DNA折纸阵列的分形组装。 自然》,2017年。552(7683): p. 67-71.
  50.     Praetorius, F., et al, DNA折纸的生物技术大规模生产。 自然》,2017年。552(7683): p. 84-87.
  51.     Dunn, K.E., DNA纳米技术的商业。折纸和其他技术的商业化。 分子, 2020.25(2).
  52.     Nanovery - 纳米机器人.可从: https://www.nanovery.co.uk/science.
  53.     Benjamens, S., P. Dhunnoo, and B. Meskó, 基于人工智能的FDA批准的医疗设备和算法的状况:一个在线数据库。 NPJ Digit Med, 2020.3: p. 118.
  54.     医学未来学家--FDA批准的基于人工智能的算法.可从: https://medicalfuturist.com/fda-approved-ai-based-algorithms/.
  55.     Qlarity Imaging - 教育.可从: https://www.qlarityimaging.com/education.
  56.     Jiang, Y., A.V. Edwards, and G.M. Newstead, 人工智能应用于乳腺MRI以改善诊断。 Radiology, 2020: p. 200292.
  57.     数字诊断 - IDx-DR概述。缩小护理差距,预防失明.可从: https://dxs.ai/products/idx-dr/idx-dr-overview-2/.

 


Kolabtree帮助全球企业按需雇佣专家。我们的自由职业者已经帮助企业发表研究论文,开发产品,分析数据,以及更多。只需一分钟就可以告诉我们你需要做什么,并免费获得专家的报价。


分享。

关于作者

Jennifer Huen在多伦多大学获得了她的生物化学博士学位,是Huen Structure Bio的创始人,这是一家分子生物学研究和咨询公司。她曾在药物发现、检测方法开发、产品可行性、科学内容创作等领域提供咨询,并在各种同行评议的杂志上发表文章。

发表回复

值得信赖的自由职业者专家,随时为您的项目提供帮助


世界上最大的科学家自由职业平台  

不,谢谢,我现在不打算雇用。