近些年來(lái)，以基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程等為代表的現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展迅猛，并日益影響和改變著人們的生產(chǎn)和生活方式。這里就為您呈現(xiàn)本年度那些有突破性的生物技術(shù)，以及這些技術(shù)的未來(lái)走向預(yù)測(cè)。

　　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(lái)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。最終發(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(gè)課題小組都報(bào)道稱他們對(duì)這種細(xì)菌免疫機(jī)制進(jìn)行了成功的應(yīng)用嘗試——對(duì)人類細(xì)胞里的特定基 因進(jìn)行了定向破壞�？茖W(xué)家們將這種技術(shù)稱作 CRISPR 技術(shù)。在隨后的8個(gè)月里，更多的實(shí)驗(yàn)室也開始使用這種技術(shù)，對(duì)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(yàn)， 成功地對(duì)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(gè)方面證明了 CRISPR 技術(shù)的潛在應(yīng)用價(jià)值。雖然生物學(xué)家們最近也開發(fā)出了幾種新方法，可以對(duì)基因進(jìn)行更加精確的操作，但是美國(guó)哈佛大學(xué)(Harvard University)的George Church 認(rèn)為， CRISPR 技術(shù)的高效率和易用性還是其他技術(shù)無(wú)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(dòng)物模型，也能以更快的速度對(duì)基因進(jìn)行研究，而且還可以一次對(duì)細(xì)胞內(nèi)的多個(gè)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(lái)逐漸流行起來(lái)的的 CRISPR 技術(shù)狂潮，也慢慢暴露出了這項(xiàng)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)先驅(qū)們還是堅(jiān)信，這項(xiàng)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(bào)》中，匯集了來(lái)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)于納米生物成像的最新進(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(gè)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(guó)際、國(guó)內(nèi)動(dòng)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(shí)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)研究和臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中受到越來(lái)越多的關(guān)注， 特別是在實(shí)時(shí)、動(dòng)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，這提高了圖像的精確度，但是要觀察的深層組織活動(dòng)，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最新進(jìn)展，其中特別提及了活體熒光顯微技術(shù)今年來(lái)的新成果，認(rèn)為這項(xiàng)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(zhǎng)一段時(shí)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，將最終實(shí)現(xiàn)人體器官的個(gè)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(lái)，最終把計(jì)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(duì)，研發(fā)出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)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(lái)可以幫助人們進(jìn)行組織修復(fù)，臟器移植，美容整形。

　　這臺(tái)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(lái)的臟器，如骨骼、血管等，最珍貴的“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(lái)的組織融合試驗(yàn)，已經(jīng)在老鼠身上獲得成功�！暗�，目 前，我們的打印機(jī)，打印出來(lái)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(shí)間�！�

　　宏基因組學(xué)測(cè)序技術(shù)

　　長(zhǎng) 期以來(lái)，對(duì)微生物(microorganism)功能開展的研究主要依賴的都是以在實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)的單一物種(individual specie)為對(duì)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(gè)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(huì)徹底顛覆我們對(duì)生命之樹結(jié)構(gòu)，以及各個(gè)物種代謝能力 的理解和認(rèn)識(shí)。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(duì)取自環(huán)境里的微生物 樣品進(jìn)行分析和研究。整個(gè)流程是先將樣品里的DNA提取出來(lái)，進(jìn)行測(cè)序，然后用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)測(cè)序結(jié)果進(jìn)行分析。這種方法至少解決了兩個(gè)非常重要的問題。首 先，該技術(shù)能夠讓我們對(duì)大自然里99%的微生物(這些都還是沒能在實(shí)驗(yàn)室里成功培養(yǎng)的微生物)進(jìn)行分析和研究。其次，可以對(duì)整個(gè)大環(huán)境里的微生物進(jìn)行研 究。

　　隨著測(cè)序技術(shù)不斷發(fā)展，測(cè)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(gè)測(cè)序診斷領(lǐng)域帶來(lái)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(duì)生命和進(jìn)化 歷程的認(rèn)識(shí)和了解。

　　產(chǎn)前DNA檢測(cè)技術(shù)

　　2013年1月7日，全球銷量最大的DNA測(cè)序儀生產(chǎn)商、美國(guó)Illumina公司以3.5億美元收購(gòu)了Verinata公司。吸引Illumina的是Verinata的先進(jìn)技術(shù)：對(duì)未出生胎兒進(jìn)行DNA測(cè)序。

　　Verinata 是美國(guó)快速發(fā)展的產(chǎn)前DNA檢測(cè)市場(chǎng)中使用Illumina測(cè)序儀的四家公司之一。該公司采用的新檢測(cè)技術(shù)是通過一小管母親血液中痕量的胎兒DNA而檢測(cè) 唐氏綜合癥。在以前，唐氏綜合癥檢測(cè)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(xiǎn)。

　　這種無(wú)創(chuàng)篩選技術(shù)更加安全方 便，使得產(chǎn)前DNA檢測(cè)很容易被接受，因此也成為Illumina測(cè)序儀在醫(yī)學(xué)上的一個(gè)重要的新應(yīng)用，而在此之前，測(cè)序儀主要用于實(shí)驗(yàn)室研究。 Illumina公司總裁杰伊•弗拉特利預(yù)計(jì)在美國(guó)每年將有200萬(wàn)女性進(jìn)行這種檢測(cè)，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(cè)序的開始。一些和Verinata一樣推出唐氏綜合癥檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)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(shí)測(cè)量技術(shù)

　　對(duì) 于大多數(shù)人而言，意識(shí)和無(wú)意識(shí)狀態(tài)很容易區(qū)分，但對(duì)一些腦損傷患者來(lái)說，兩者之間就很難區(qū)分了。今年8月， 神經(jīng)學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)出一種腦活動(dòng)單一度量標(biāo)準(zhǔn)，將有助于區(qū)分不同的意識(shí)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(bào)告發(fā)表于Science Translational Medicine期刊上。

　　一種理論認(rèn)為，在有意識(shí)的大腦中，每個(gè)不同的神經(jīng)元群都在起著其自身的特定的計(jì)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(huì)互動(dòng)并計(jì)算。當(dāng)大腦失去這種復(fù)雜性時(shí)，神經(jīng)元或者會(huì)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(duì)以此為線索設(shè)計(jì)出一種腦活動(dòng)單一度量標(biāo)準(zhǔn)，將有助于區(qū)分不同的意識(shí)狀態(tài)。

　　在最新的研究 中，Massimini研究小組提出一種新方法來(lái)檢測(cè)大腦復(fù)雜性，即有多少信息流動(dòng)正在大腦中發(fā)生。該方法被稱作擾動(dòng)復(fù)雜性指數(shù)(PCI)。在整個(gè)過程 中，研究人員使用一個(gè)強(qiáng)力的磁刺激對(duì)整個(gè)大腦進(jìn)行一次輕微的“震動(dòng)”，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(duì)EEG復(fù)雜的 數(shù)學(xué)分析，從0至1評(píng)判人們的意識(shí)性水平。研究中完全清醒的病人的PCI為0.6以上，處于輕度睡眠的病人PCI約為0.4，而處于深度睡眠的病人的 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(wú)意識(shí)的深度狀態(tài)。麻醉強(qiáng)度越大，PCI值越低。

　　Massimini認(rèn)為，基于對(duì)大腦復(fù)雜性產(chǎn)生的效應(yīng)，PCI技術(shù)無(wú)需患者從事任何有關(guān)感覺、運(yùn)動(dòng)或認(rèn)知的任務(wù)，可以客觀的同時(shí)從數(shù)量角度評(píng)價(jià)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(cè)治療的效果。

　　基因芯片技術(shù)

　　目前大部分基因芯片的應(yīng)用目前仍僅限于科研水平，這項(xiàng)技術(shù)似乎已轉(zhuǎn)向應(yīng)用于個(gè)體化醫(yī)療的臨床應(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(lái)，這一技術(shù)將很可能成為科研和臨床應(yīng)用中一項(xiàng)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臨床相關(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(shí)間的推移，臨床醫(yī)生可能會(huì)開始掌握哪些基因組的變化會(huì)影響病人的健康，而哪些是無(wú)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(huì)到哪些多態(tài)性是重要的，這就可以用來(lái)打造非常廉價(jià)的芯片，有助于疾病的檢測(cè)�！�

　　除了經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)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)用于臨床診療，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(cè)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病人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(gè)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(kù)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(jì)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(lái) 基因芯片將會(huì)繼續(xù)服務(wù)于基礎(chǔ)研究，并提供基因組學(xué)相關(guān)的臨床工具。最終，基因芯片將會(huì)在其功效發(fā)揮最出眾的領(lǐng)域繼續(xù)前進(jìn)。

　　快速癌癥檢測(cè)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國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)Hsp90α(熱休克蛋白90α)為一個(gè)全新的腫瘤標(biāo)志物�；颊咧恍杼峁┮恍┭海� 過試劑盒檢測(cè)，即可用于病情監(jiān)測(cè)和治療效果的評(píng)價(jià)，為指導(dǎo)腫瘤個(gè)體化治療提供輔助依據(jù)。自主研發(fā)的Hsp90α定量檢測(cè)試劑盒已通過臨床試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了 國(guó)家第三類(最高類別)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(guó)和歐盟市場(chǎng)。

　　這是人Hsp90α被發(fā)現(xiàn)24年來(lái)，全球首個(gè)將其用 于臨床的產(chǎn)品，對(duì)于提高腫瘤患者的病情監(jiān)測(cè)和療效評(píng)價(jià)水平、實(shí)現(xiàn)腫瘤個(gè)體化治療具有重要推動(dòng)作用。2011年，美國(guó)國(guó)家癌癥研究院公布了全球31個(gè)被明確 用于癌癥檢測(cè)的產(chǎn)品，其中以血液為檢測(cè)對(duì)象的有17個(gè)，均由外國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)和定義，至今尚無(wú)中國(guó)自主發(fā)現(xiàn)的腫瘤標(biāo)志物在臨床中被廣泛應(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(cè)試劑盒”，并通過 2347例臨床試驗(yàn)，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(cè)和療效評(píng)價(jià)。同時(shí)，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(gè)瘤種的臨床試驗(yàn)也將在近期完成。

　　羅永章介紹說，與其他腫瘤檢測(cè)手段相比，腫瘤標(biāo)志物更方便快捷，成本也大大降低�；颊咧恍枞∫坏窝海ㄟ^“Hsp90α定量檢測(cè)試劑盒”檢測(cè)血漿中Hsp90α的含量，即可用于病情監(jiān)測(cè)和治療效果的評(píng)價(jià)，為指導(dǎo)腫瘤個(gè)體化治療提供輔助依據(jù)。