2009 年十項最佳生命科學創新技術

作者：駐美國台北經濟文化代表處科技組　現職：駐美國台北經濟文化代表處科技組

文章來源：The Scientist Pg.41-47, 2009年12月23日

發佈時間：2010.02.25

在工業界，2009年可能是艱難的一年；但是對於生命科技而言，它是創新的一年。The Scientist雜誌評選了十項最佳創新技術，簡列如下。 第 十名：三維細胞培養（CELL CULTURE IN 3D） 由Hamilton公司開發的桌上型BioLevitator，結合培養箱和離心機 成一個單位，是首批三維細胞培養系統之一。 這項技術開創了一個三維的細胞培養，更接近體內環境。BioLevitator還可以使研究人員以較少的時間培養更多細胞。他們的合作夥伴公司 Global Cell Solutions，開發了一種內襯蛋白質獨特的微載體，有利於細胞在三維表面生長。 BioLevitator可同時在四個管中進行細胞培養，內部的磁鐵可以保持細胞懸浮和均一。多蛋白質塗層可支持不同細胞系。在培養過程中，可監測每個管 中的二氧化碳，溫度，細胞密度和pH值。當培養完成時，所有的數據可以透過BioLevitator的USB端口傳輸到電腦進行分析。 這 個價格35,000元的小型多功能儀器還具有環保的好處，因為它比傳統二維系統更加有效率，可減少使用腐蝕性化學品和實驗室器材。Hamilton公司， 以BioLevitator每星期培養四千萬個倉鼠卵巢細胞估計，每年可以節省成本百分之六十。 第九名：蛋白表現的新配方（NEW RECIPE FOR PROTEIN EXPRESSION） 合成基因被認為是達到高效蛋白表達最具成本效益、及時、且靈活的工具。蛋白表達是 現代生物技術研究最基要的一環。由於不同的密碼子可以產生相同的氨基酸，科學家們在編碼（翻譯）蛋白質的時候可有無數的組合供選擇。有些組合比其它組合產 生更好的結果。通常，研究人員使用傳聞證據來選擇某一組密碼子，為達到蛋白表達最佳化，卻產生不可預測的結果。現在，加州的公司DNA2.0的科學家們發 展新的設計規則系統，基於實際基因特徵來預測最佳組合密碼子。該系統發表在九月份的《PLoS ONE》（4(9): e7002），生產蛋白表達優於以往的方法10倍。 該小組設計、合成、以不同的基因組對兩種不同的蛋白質（一個 DNA聚合酶和一個單鏈抗體）編碼，並根據產生最多蛋白質的密碼子，開發出一種設計原則來預測最佳化蛋白表達的基因組合。 第八名：代謝 的新測量儀（NEW MEASURE OF METABOLISM） 麻州的Seahorse Bioscience發明的XF96分析儀，是第一個能夠測量細胞中兩個主要的能量傳導途徑的儀器：細胞線粒體呼吸與糖酵解。這樣就能夠提供對於細胞代謝 過程全面的了解，以及在疾病狀況下程序如何出差錯。 在XF96開發之前，科學家們依靠克拉克電極技術測量細胞的耗氧量，既耗時，所提供的 訊息也很有限。現在，只需要35-90分鐘，這個XF分析儀就能夠測量氧氣消耗──這是線粒體呼吸的指標，以及細胞外酸化──這是糖酵解的一個副產品。經 過在微孔板分離出小量的細胞，儀器可以用光學生物感測器測量溶解氧和pH值的變化。使用儀器的96孔盤，研究人員可以測試多達四種藥物對細胞的新陳代謝的 影響，理解細胞的生物能量變化。目前售價為10-20萬美元，儀器首次於 2009年1月上市，目前全球擁有 400多個客戶。 第七名： 序列捕獲新工具（NEW SEQUENCE CAPTURE TOOL） 科學家們擁有大量珍貴的數據，30億鹼基對！但是沒有辦法使用，因為基因 組過於龐大且凌亂，研究人員無法完全分析這些信息。總部在德國的公司febit，設立了HybSelect，利用基因晶片，集中在基因組中對特定疾病具關 鍵角色的區域。這項技術已經被用於研究癌症，多發性硬化症，愛滋海默氏症和糖尿病。 第六名： 多功能顯微鏡（ALL-IN-ONE MICROSCOPES） Olympus引進兩種新的多功能顯微系統：FluoView FV10i，世界上第一個獨立的共聚焦顯微鏡，可用於對樣本建構三維影像；還有FSX100，自載有螢光和明視野顯微鏡，是在美國可以購得的第一種此類顯 微鏡。這兩個系統都把照明系統，顯微鏡，可移動的檯子，和照相機結合起來成為一個簡單的小盒子。這和傳統的裝置不同，小巧又容易設置在任何地方。這個裝置 另外一個好處是一般必須在暗房裡操作的螢光顯影，可以在實驗室裡不必關燈操作。此外，這兩種顯微鏡完全是「軟件驅動」，這意味著他們是非常合乎邏輯的，即 使是第一次使用也很容易上手。 第五名：鋅指蛋白（Zinc Finger）產生「基因剔除」（knockout）大鼠（ZINC FINGERS CREATE KNOCKOUT RAT） Sigma-Aldrich在2008年的一項競賽靠著他們的CompoZr， Zinc Finger nuclease（ZFN，鋅指核酸酶）拿了銅牌，它可以啟動雙鏈 DNA在特定位置斷裂，剔除甚至一個鹼基對。2009年，該公司根據這個成果繼續發展，生產「基因剔除」大鼠。 美國威斯康辛醫學院的研 究人員使用Sigma量身特製的鋅指核酸，產生了第一批的「基因剔除」大鼠，其中一些有螢光蛋白表現而發綠光。現在老鼠之外的嚙齒類可以發展成特定人類疾 病的模型供研究之用。 第四名：可以量化的數碼相機（A CAMERA THAT QUANTIFIES） 細胞生物學家經常需要 測量和比較蛋白質產生螢光的量，捕捉在細胞膜上同位置進行的事件，並描述病毒的進入，他們往往使用電子倍增電荷耦合裝置（EMCCD, electron-multiplying charge-coupled device）相機來量測這些現象。但是，根據所設定的計量，這些裝置所給的數字是隨意的單位，不同的相機和不同的時間就有差異。這意味著圖像數據，不論 是同一實驗室或不同實驗室所得成像數據是沒有可重複性的。 Evolve相機，藉著測量結果的圖像的單位光電子使圖像數據量化和具可重複 性，螢光蛋白發出的光子或是反射的光子觸及相機的感應器就被計量。如此可以達到量化和標準化的結果。 第三名： 利用光操縱細胞（MANIPULATE CELLS USING LIGHT） 通常情況下，對光敏感的植物蛋白光敏色素 （phytochrome）和它的聯結夥伴，光敏色素相互作用因子（PIF, phytochrome interaction factor）在回應紅光後，連結在一起就轉移到細胞核，紅外光會打破這個聯結。加州大學舊金山分校的研究人員修改了基因，使兩者被激活時，移動到細胞膜 （而非細胞核）。然後，他們把PIF聯結到一個細胞骨架蛋白上。當空間定位脈衝紅光活化PIF時，PIF反過來又激活了細胞骨架蛋白，因此可以重塑細胞 （Nature，461:997-1001，2009）。光敏色素把光轉換成蛋白質之間的相互作用。研究人員可以把PIF鏈接到任意數量的蛋白質，使這個 系統比其它的光控制系統更適用於廣泛的細胞程序。 研究小組提把光敏色素突變體和PIF質粒（plasmid）交給Addgene，一個非 營利質粒庫，便於在科學界供應質粒。研究者可以索求質粒每個約 65美元。 第二名：快速病原體辨識（QUICK PATHOGEN ID） 當面對一個未知的，致命的病原體爆發傳染時，任何延誤都要付出生命代價。在20世紀90年代，一個政府辦的生物防禦會議上，被提供最好的病 原體檢測辦法，還停在革蘭氏染色。 當時David Ecker在Ibis Biosciences，一直在用質譜儀，測試候選藥物結合RNA的能力。透過質譜儀比較結合的RNA和未結合的RNA（較輕）的分子量來作。他想，為什 麼不使用質譜儀，根據其不同的重量來識別基因組？ 訣竅在於設計病毒或細菌的基因組的保留區的PCR primers，使它們成為一整類病原體的共同部份。被夾在primers和被PCR放大的基因組的部份，因其差異可被用來區別每個子類病原體。 雖然這個裝置還沒有被批准進行臨床試驗或診斷，它已經被用於測試病毒，法醫鑑定，和其他應用的基本突變率，包括美國海軍和美國疾病管制局用來檢測新流感 H1N1病毒。 第一名：以蛋白質誘導多能性（PLURIPOTENCY FROM PROTEINS） 2009年最令人興奮的 創新，是以最普遍使用的技術重組細胞成為類似胚胎的狀態。加州La Jolla 的Scripps研究中心的研究人員首次完全避免基因改造，只用蛋白誘導小鼠胚胎纖維細胞多能性。誘導式多能性幹細胞（iPS cell）技術真是一項突破性的發現，而基因改造在實際應用上則會造成極大的障礙，其中包括可能導致疾病，如癌症。 該研究小組掙扎了近 2年才找到正確的條件和各成分完美的結合，包括Shinya Yamanaka的四個轉錄因子的蛋白質形式，以及已知會提高重新編組效率的組蛋白去乙酰酶抑製劑（Cell Stem Cell，4(5): 381-84，2009）。該技術還沒有商業化，但正在開發中。 他們不予評論其成本，只說這將取決於最終應用的技術。基本的應用，如毒理學測試和試劑的發展是在低端市場的價格規模，更先進的藥物開發和細胞治療應用的費 用較高一些。