近些年來，以基因工程、細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程等為代表的現(xiàn)代生物技術發(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，以及這些技術的未來走向預測。

　　基因組編輯技術CRISPR

　　一 種可利用導向RNA分子靶向裂解DNA的細菌酶，一直以來被用作為一種可編程工具，位點特異性修改從細菌、人類細胞到斑馬魚等生物及細胞的基因組。 CRISPR系統(tǒng)是細菌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菌免疫機制進行了成功的應用嘗試——對人類細胞里的特定基 因進行了定向破壞�？茖W家們將這種技術稱作 CRISPR 技術。在隨后的8個月里，更多的實驗室也開始使用這種技術，對人類細胞、小鼠、大鼠、斑馬魚、細菌、果蠅、酵母細胞、線蟲和多種農(nóng)作物進行了大量的試驗， 成功地對基因進行了定向缺失、插入、活化或抑制等遺傳改造操作，從各個方面證明了 CRISPR 技術的潛在應用價值。雖然生物學家們最近也開發(fā)出了幾種新方法，可以對基因進行更加精確的操作，但是美國哈佛大學(Harvard University)的George Church 認為， CRISPR 技術的高效率和易用性還是其他技術無法匹敵的。

　　科學家們可以 使用 CRISPR 技術，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行研究，而且還可以一次對細胞內(nèi)的多個基因進行遺傳學改造，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 技術狂潮，也慢慢暴露出了這項技術的一些不足和限制，使這股熱潮進一步蔓延的速度有所減退，但是Church和其它的 CRISPR 技術先驅(qū)們還是堅信，這項技術有著美好的前景，他們還組建了公司，希望能夠利用 CRISPR 技術治療各種遺傳性疾病。

　　納米成像技術

　　今 年3月的《科學通報》中，匯集了來自華中科技大學，上海交通大學，東南大學，華南師范大學等多處研究機構(gòu)，關于納米生物成像的最新進展，包括涉及基于金納 米粒子的熒光分子信標，靶向多肽連接的量子點，水相合成量子點常用的方法， 以及其在細胞成像及活體成像中的應用等等各個方面的內(nèi)容，從不同的側(cè)面反映了當前納米生物成像的某些國際、國內(nèi)動態(tài)，精彩紛呈。

　　納米生物成 像技術將納米生物技術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著納米生物技術的發(fā)展。目前基于納米材料構(gòu)建的分子影像探針， 已在生命科學基礎研究和臨床醫(yī)學應用中受到越來越多的關注， 特別是在實時、動態(tài)、高靈敏成像方面具有廣闊前景。

　　生物成像領域已經(jīng)可以采用 各種顯微技術和共聚焦等技術了，這提高了圖像的精確度，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進步。 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展，其中特別提及了活體熒光顯微技術今年來的新成果，認為這項技術嶄露曙光，在細胞生物學，神經(jīng) 科學，腫瘤生物學等多方面發(fā)揮作用。

　　3D打印技術

　　3D生物打印技術可讓科研人員另辟途徑地制造人體替換器官，雖然將其應用于醫(yī)療服務領域還需很長一段時間，但是科學家相信隨著3D生物打印技術以及再生醫(yī)學的發(fā)展進步，將最終實現(xiàn)人體器官的個性化定制。

　　3D打印技術的原理與普通打印機的基本相同，將裝有液體或細胞等“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，最終把計算機上的藍圖變成實物。

　　今 年8月，杭州電子科技大學生物工程專業(yè)的徐銘恩教授帶領團隊，研發(fā)出了國內(nèi)首臺生物3D打印機，能夠直接打印出人體活細胞。利用這些細胞的基礎，打印機還 可以打印諸如骨骼修復器件、人工器官等生物材料。這些從打印機里誕生的材料，將來可以幫助人們進行組織修復，臟器移植，美容整形。

　　這臺生物 3D打印機，除了可以打印多種生物材料，還能打印人體活細胞，從而直接打印出“活”的組織。打印出來的臟器，如骨骼、血管等，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，然后實現(xiàn)相應的組織和器官功能。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�！暗�是，目 前，我們的打印機，打印出來的單元器官，‘塊頭’要比人體真正的器官大5倍，并且能打印的活細胞種類還不多，包括后期要怎樣使得各種活細胞自然組合、共同 生成人工臟器，我們可能還需要至少10年的時間�！�

　　宏基因組學測序技術

　　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)的細菌或古細菌(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(metagenomics)技術，該技術的發(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、準確地獲得環(huán)境微生物的基因組序列。這些成果有可能會徹底顛覆我們對生命之樹結(jié)構(gòu)，以及各個物種代謝能力 的理解和認識。生物信息學的飛速發(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)學診斷、農(nóng)業(yè)、法醫(yī)以 及生物技術等應用領域里找到合適的位置和用途。

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

　　隨著測序技術不斷發(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技術也逐漸具備了給要求更快、更準確、 特異性更高的整個測序診斷領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化 歷程的認識和了解。

　　產(chǎn)前DNA檢測技術

　　2013年1月7日，全球銷量最大的DNA測序儀生產(chǎn)商、美國Illumina公司以3.5億美元收購了Verinata公司。吸引Illumina的是Verinata的先進技術：對未出生胎兒進行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胞，這些方式都具有一定的流產(chǎn)風險。

　　這種無創(chuàng)篩選技術更加安全方 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)學上的一個重要的新應用，而在此之前，測序儀主要用于實驗室研究。 Illumina公司總裁杰伊•弗拉特利預計在美國每年將有200萬女性進行這種檢測，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。這是技術上的突破，可能也是商業(yè)的突破。

　　PCI意識測量技術

　　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)學家們設計出一種腦活動單一度量標準，將有助于區(qū)分不同的意識狀態(tài)，并指導腦損傷患者的醫(yī)學治療。目前，相關研究報告發(fā)表于Science Translational Medicine期刊上。

　　一種理論認為，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)元群進行溝通。換言之，它們會互動并計算。當大腦失去這種復雜性時，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。意大利米蘭大學的教授Marcello Massimini博士帶領的研究團隊以此為線索設計出一種腦活動單一度量標準，將有助于區(qū)分不同的意識狀態(tài)。

　　在最新的研究 中，Massimini研究小組提出一種新方法來檢測大腦復雜性，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雜性指數(shù)(PCI)。在整個過程 中，研究人員使用一個強力的磁刺激對整個大腦進行一次輕微的“震動”，并記錄神經(jīng)元的反應。PCI可以區(qū)別以上所有的狀態(tài)。這種指數(shù)是基于對EEG復雜的 數(shù)學分析，從0至1評判人們的意識性水平。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意識的深度狀態(tài)。麻醉強度越大，PCI值越低。

　　Massimini認為，基于對大腦復雜性產(chǎn)生的效應，PCI技術無需患者從事任何有關感覺、運動或認知的任務，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，該技術能夠幫助內(nèi)科醫(yī)生檢測治療的效果。

　　基因芯片技術

　　目前大部分基因芯片的應用目前仍僅限于科研水平，這項技術似乎已轉(zhuǎn)向應用于個體化醫(yī)療的臨床應用。事實上，一些產(chǎn)品已經(jīng)能用于醫(yī)學診斷，并且有更多的產(chǎn)品已經(jīng)在研發(fā)當中。未來，這一技術將很可能成為科研和臨床應用中一項很有用的工具。

　　通 過現(xiàn)有的技術，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性。華盛頓大學圣路易斯醫(yī)學院基因組技術促進中心聯(lián)合 主任Seth Crosby發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移，臨床醫(yī)生可能會開始掌握哪些基因組的變化會影響病人的健康，而哪些是無害的。他說：“一旦這些相關和不相關基因的列表 范圍逐漸縮小，而我們也領會到哪些多態(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)�！�

　　為了將基因芯片應用于臨床診療，醫(yī)生們需要那些經(jīng)過認可的工具。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，讓科研人員可以實現(xiàn)強大的統(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。為了趕上技術的改變，一些公司開始提供服務，未來 基因芯片將會繼續(xù)服務于基礎研究，并提供基因組學相關的臨床工具。最終，基因芯片將會在其功效發(fā)揮最出眾的領域繼續(xù)前進。

　　快速癌癥檢測技術

　　今 年11月17日，清華大學生命學院羅永章教授研究組在國際上首次發(fā)現(xiàn)Hsp90α(熱休克蛋白90α)為一個全新的腫瘤標志物。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臨床試驗驗證，獲得了 國家第三類(最高類別)醫(yī)療器械證書，并通過了歐盟認證，從此獲準進入中國和歐盟市場。

　　這是人Hsp90α被發(fā)現(xiàn)24年來，全球首個將其用 于臨床的產(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全球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，均由外國科學家發(fā)現(xiàn)和定義，至今尚無中國自主發(fā)現(xiàn)的腫瘤標志物在臨床中被廣泛應用和認可。羅永章課 題組在重大科學發(fā)現(xiàn)的基礎上，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例臨床試驗，成功證明Hsp90α是肺癌相關腫瘤標志物，可用于患者病情監(jiān)測和療效評價。同時，Hsp90α腫瘤標志物具有廣譜特性，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臨床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，腫瘤標志物更方便快捷，成本也大大降低�；颊咧恍枞∫坏窝�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，為指導腫瘤個體化治療提供輔助依據(jù)。