生命科学120个新技术.docx

1、生命科学120个新技术120个新技术来源：吴永红的日志 单分子显微成像技术单分子成像技术，现在正朝着在体的、活细胞、高灵敏、多分子、高通量的方向发展。目前有荧光光谱显微镜、栓粒显微镜、光磁镊子(tweezer )、原子力显微镜、单分子力学光谱显微镜等等。 它们不仅可以测定活细胞、单分子、多分子的定位和动态的变化，还可以测定蛋白质与蛋白质、 DNA与DNA、DNA与蛋白相互关系的改变。它将使现代生物学研究发生革命性变化( Nature.2008.5.29; Nature Method, 2009.3.1; 2009.3.22 )*进行生物科学研究的机器人英国Aberystwyth大学系统生物学和

2、计算机科学家 Clare A等，发明了一种可以独立进行科学研究的机器人，称为 Automation of science ，亦称为亚当”它可以独立进行设计、推理、实验和结 果分析。并已完成了酵母基因结构和功能的分析。这种机器人，可以同时进行多项目和多课题的 研究和分析。它是人工智能研究的一个重大突破( Science, 2009.4.3 )。 MicroRNA 介导的多能干细胞美国UCSF再生医学中心的科学家应用一种胚胎干细胞特异的 microRNA( miR-291-3P)，通过脂质体代替逆转录病毒介导 OCT4，Sox2和KIF4至皮肤细胞可以成功生成多能干细胞， 可避免致癌 风险(Nat

3、ure Biotech, 2009.4 )。 二合一抗体一般一种抗体只能与一种抗原结合，最近美国 Genentech公司，开发一种二合一抗体，它既可以与VEGF结合，又可与EGF-R (HER-2)结合，对肿瘤治疗具有重要意义( Science, 2009.3.20 )。*纳米蛋白质组免疫测定(NIA)美国斯坦福大学医学病理系的科学家开发岀一种微量、敏感适合临床小样品检测的蛋白质组分析技术，称为纳米蛋白质组免疫测定法( Naofluidic Proteomic Immunoassay, NIA )。它只要一滴血或针头大小的样品便可测定各种癌相关蛋白的表达量和磷酸化的水平。可以准确进行癌诊断，并

4、指导治疗(Nature Medicine, 2009.4.12 )。评估心脑血管发作危险性的新工具怎样评估非ST升高的心肌梗塞患者的风险，一直是心血管界的一个难题。美国华盛顿大学和Duke 大学的心血管科学家，通过临床资料的分析，提岀一种新的评估工具。它包括心率、血压、 RBC、肌酐清除率等8个因素，可以精确评估心血管病发作的风险( Circulation, 2009.4.15 )。此外，美国Baylor医学院亦开发了一个评估脑卒中治疗效果的新方法( Strok, 2009.3.12 )。*穿戴式心脏除颤器英国Cheshir医药公司最近开发出一种可以穿戴在身上的除颤器，它可以随时随地监测和治疗

5、心脏病的发作和猝死，称为 Lifevest (Med News Today, 2009,3.18). 。最近美国 Biotronik公司也开 发出一种植入式除颤器 Lumax540，已获FDA批准，用于心功能衰竭病人的监测和治疗 (Med News Today，2009.4.15 )。*洗脑”物质美国纽约州立大学Sacktor TC研究室发现一种与记忆密切相关的 PKMzeta分子，寻找到一系列与之相关的化学物质，它们能开启和关闭人类的记忆，它既可以预防老年痴呆和某些记忆问题，又 可抑制大脑存储的部分信息和记忆， 消除人类的恐惧痛苦和不良习惯， 减轻人的压力(环球科学，2009.4.15 )。

6、断骨再生 清华大学材料系崔福斋研究组与解放军总医院合作解析骨生成的过程和材料，研发岀一种纳米晶 磷酸钙胶质材料，可使断骨修复和再生(生物通， 2009.4.16 )。*手表样便携式血压计美国科学家开发岀一种新型便携式血压计，可像手表一样带在手腕上，随时监控人的血压(科技日报，2009.4.16 )。 肿瘤生长的三维视频美国Amgen公司开发出一种三维肿瘤生长的视频图像， 可以揭示观察新生血管供应肿瘤营养， 肿瘤生长和转移的过程和清晰图像(Wired, 2009.4.15 )。 评定肿瘤化疗效果的新方法一般评定肿瘤化疗效果需要 3个月。美国UCLA肿瘤研究所提出了一种用 PET/CT评估的新方法

7、。只要一周即可评估化疗的效果( Clin Cancer, 2009.4.15 )。 体内DNA 装配器(Assembler )美国IIIinois大学生物工程系研发出一种 DNA Assembler。它应用重组 DNA的方法和Yeast 步转化技术，可以在体内迅速地构建岀生化通路，它为合成生物学、代谢工程和功能基因组研究， 提供一个新的强有力的工具( Nucleic Acid Res, 2009.2 )。*细胞分栋系统麻省理工大学的科学家利用不同细胞表面滚动能力不同，设计和研究出一种细胞分栋系统。它不 仅可以分栋癌细胞，亦可以分栋干细胞，还可以用于细胞的浓缩。方法简便，无需贵重设备，且 安全不

8、损伤细胞(Nono Letter, 2008.3 )。 微型马达澳大利亚墨尔本大学微纳米研究室研制出一种微型马达，只有 250gm。它可以进入血管，传送血管内图像，清除斑块和血栓，进行活检和定点输送药物(易网探索， 2009.1.22 )。人工神经网络一三维亿阻器混合芯片美国加州大学伯克来分校和惠普实验室应用压印光刻技术，将亿电阻交叉开关矩阵堆叠在一个 CMOS逻辑电路上，其密度为成人大脑皮层突触的 10倍，可以模拟人神经网络的传递和学习功能(生物通,2008.12.3 )。*制备蛋白芯片的新方法英国Manchester跨学科生物中心的科学家开发了一种可以又快又好的制备功能性蛋白芯片的新 方法

9、。他们用特异性 Tag进行蛋白修饰，可以让各种活性蛋白快速、高效、不失功能地固定在芯 片上，且不需要进行蛋白的纯化。它是蛋白芯片的一次新革命( JACS, 2008.8.22 )。*MicroRNA 介导的多能干细胞美国UCSF再生医学中心的科学家应用一种胚胎干细胞特异的 microRNA ( miR-291-3P )，通过脂质体代替逆转录病毒介导 OCT4，Sox2和KIF4至皮肤细胞可以成功生成多能干细胞， 可避免致癌 风险(Nature Biotech, 2009.4 )。*视网膜神经环路图美国犹他州立大学眼科中心的科学家设计了一种计算机软件，可以将电子显微镜所获的视网膜的 细胞图像，绘

10、制成一种奇妙的视网膜神经环路图，可以揭示视觉生理和失明机理( Plos Biol,2009.4)o*生物起搏器美国Cornell大学和Columbia大学的科学家利用超极化环核苷酸的阀门通道( Hperpolarization Cyclic Nucleotid gated channels, HCN )，调节心脏窦房结起搏器的原理，设计出一种生物起搏 器，它可以让心脏起搏，并有规律的跳动( J. Physiol, 2009.4.1 )。*电斥力DNA芯片一般DNA芯片都需要荧光标记。美国加州大学（ UCSF）生物工程实验室的科学家利用 DNA杂交 时表面电荷的密度改变的原理成功设计出一种电斥力

11、 DNA芯片，其灵敏度可达 pm，可在复杂的背景中测岀单个碱基的错配。它可用于建立疾病的表达谱和各种疾病的个体化诊断、风险预测和疗效评判。且简单、廉价、无需标记和特殊仪器， 一次测定只要几分钟（Nature Biotech, 2008.7 ）。*测定人类基因组区域功能的新方法美国Boston大学和NIH生物信息的科学家 Margulis EH等开发了一种探测人类基因组的新方法， 它不仅可以阅读 DNA的序列，更可以观察 DNA的三维结构，确定 DNA的沟渠、折叠和位置，分 析出DNA不同区域的功能（Science, 2009.3.12 ）。超级生物胶美国印第安大学和布朗大学应用新双月杆菌 （c

12、aulobacter Crescen） 生产出一种超级生物胶，其粘 合率比目前最好的胶水还要高 3倍。将对外科缝合手术产生重大影响（科学网， 2月23日）。 防癌面贴过度日照不仅可以引起皮肤灼伤，还可以引起皮肤癌。最近英国科学家研制一种新型敷贴，可以 保护皮肤，有效避免皮肤癌的发生（科技日报， 3月23日）。*治病烟草德国Bayer和Syngenta化学公司，应用生物工程的方法，将 IL -10重组进烟草中，生产出能治疗I型糖尿病的烟草。它可以种植。应用这种转基因方法，还可以生产和种植抗肿瘤等多种抗疾 病的烟草（BMC Biotech, 3月份）。新型人造心脏印度Kharagpur理工学院，最

13、近依据蟑螂心脏工作原理，用塑料和金属创制成一种新型人工心脏。 压力再高也不会影响心脏的运行。其造价只要 2000美元（Scientific Amer,3月份）。*便携式人工肺英国斯旺西大学根据吸入氧气呼岀 CO2原理，研究岀一种只有眼镜盒大小的可到处携带的人工肺可在体外成功进行气体交换，代替肺移植，使严重肺疾患者正常生活（新浪网， 3月11日）。*读脑机英国伦敦大学的科学家应用功能性核磁共振成像技术和电脑程序控制扫描方法开发岀一种 读脑机”它可以探测人脑的思考和想象，分析人脑思维活动（ Current Biolog, 2009.3 ;新浪科技，2009.3.16 ）.此外，加拿大多伦多大学的科

14、学家应用近红外线成像解码技术， 亦发现了一种读脑仪”（新华网，2009.2.18 ）。*可吸收血管支架目前血管的支架主要有裸金属和药物涂塑两种，但仍有引起血栓的危险。欧洲科学家发明了一种 可吸收的血管支架，可完全避免血栓的形成和再狭窄。在临床试用两年，效果良好。在支架吸收 后，仍保持功能（Lancet，3月份）。*新型手术机器人美国SRI研究所，开发出一种新型手术机器人。它由 4 人”组成；一 人”掌控内窥镜进行探测，二 人”为主刀实施手术，一人”为护理、负责消毒传递器械和清洗。它可以通过卫星联网，进行遥控，可在战场、灾区、边远山区进行抢救手术。机器人还可与患者谈话，使精神放松。这样的机器人

15、称为移动的外伤救治舱（ Trauma Pod ） （ New Scientist ， 2009.3.5 ）。*通用血型的人造血细胞美国细胞生物技术公司应用胚胎干细胞诱导出几十亿个功能健全的红细胞。它具有通用血型，不 产生组织排斥，不担心感染，可以持续生产（ Scientific Amer,3月份）。*抗炎症药物载体美国Emory大学用PCADK研发了一种新型非炎症微球状药物载体，可以携带 P38抑制剂，并直接在心脏释放。它可以用于治疗心肌梗塞、 心功能不全和其它多器官炎症疾病 (Nature Material, 3月份)。 抗HIV的天然疫苗美国纽约Rockfells大学从HIV感染，不求助药

16、物治疗而长期存活的患者身上， 发现了天然免疫系统，并分离出抗HIV的抗体，可以抵御 HIV感染(Nature, 3月份)。 人造淋巴结日本理化研究所(Riken Institue )研发出人造淋巴结，它可以产生抗感染的免疫细胞，可以治疗 癌症或艾滋病(大众机械，2月份，科技时代，2月16日)。生物起搏器生物起搏器是将具有起搏功能基因， 导入心脏受损部位，而发挥起搏功能。这种起搏器不用电池，不被磨损，不引起并发症(科学时报， 2月16日)。 神经再生胶瘢痕组织使受损脊髓常不能沿着神经路径生长。美国西北大学研发了一种纳米凝胶，它可在受损部位形成纳米缩氨酸纤维支架， 可以吸附干细胞，促使脊髓沿着轴索

17、生长(科技时报，2月16日)*体内蛋白与DNA相互作用分析法美国华盛顿大学基因组和计算机研究中心的科学家开发出一种可以在体内观察蛋白和 DNA相互作用的新方法，称为数码基因组印迹法( Digital genomic footprinting )。它可以同时测定和显示 基因组中成百上千种蛋白及其与 DNA的结合部位和调节蛋白( Nature method, 2009.3.22 )。 预测进行心肌梗塞的新方法肌钙蛋白(Troponin I )是预测急性心肌梗塞和心脏猝死的一种 Biomaker。既往多用常规酶联免疫沉淀法，但灵敏度低，选择性差。韩国大学化学和生物工程实验室应用纳米技术，开发了一种

18、高灵敏、高特异性的测定血清肌钙蛋白的方法，可以预测急性心肌梗塞和心脏猝死。此外，利用 这种纳米技术，亦可生产其它的临床高灵敏诊断方法( Nature Biotech, 2009.3.8 )。*肿瘤基因组浏览器美国加州大学(UCSC) J. Baskin工程学院的科学家应用芯片技术， 将肿瘤的genomic. epigenomic和transcriptomic的变化结合在一起， 可以得到百万个测定数据， 再通过软件分析和可视化处理，可以获得肿瘤细胞所有相关基因及其突变的数据和图像，可为肿瘤转移、治疗、预后和研究提供 一个十分有效工具(Nature Method. 2009.4.1 )。*活细胞内

19、RNA成像新技术美国乔治亚大学技术研究所开发了一组多价 probes，称为MTRIPs，它可以在活体细胞直接观察RNA的定位、分布、数量、移动、 RNA结合蛋白和动态的变化。不仅具有可视性，而且灵敏度高(Nature Mehtod, 2009.4.6 )。*高效抗癌新药一精氨酸酶香港理工大学生物化学系的科学家经十年努力， 从温泉中分离出一种耐热的精氨酸酶， 称为BCA它可以分解癌细胞生长所必须养分， 饿死癌细胞”，而对正常细胞无损。且稳定、长效、耐热。只需8 - 9天注射一针(新华网，2009.4.7 )。*荧光指示的肿瘤手术脑胶质瘤组织与正常组织常常难以区分，多不能完整切除。德国癌症研究所报

20、告，在手术中应用5 - Amoinofluorescrin荧光物质标记的蛋白，可使癌瘤组织发出黄绿色信号，可指示手术的范围， 完全切除肿瘤，且价格低廉，易于操作( Neurosurgery, 2009.4 )。便携式透析仪美国Xcorporeul公司研制了一种便携式透析仪，只有 5磅重，可以随病人移动，昼夜不停地清除血液中的毒素，起到人工肾脏作用，免去每周三次去医院透析(科学时报， 2月16日)。人工胃肠内膜麻省理工学院利用壁虎脚上一层纳米茸毛可以吸附的原理，发明一种黏合剂，它不仅可以粘贴伤口，而且可以修补胃肠穿孔。伤愈后可以慢慢分解。此外，美国 GI Dynamic公司也发明一种胃肠内膜，导

21、入后可在胃肠壁上形成一层 Endobarrier屏障，可以保护内膜，防止食物过量吸收（科学时代，2月16日。*脂肪控制器MGAT 2酶是一种肠道 Acyl CoA，是体内脂代谢的一个重要蛋白酶，它可以让摄入的脂肪燃烧， 而不能贮存。美国加州大学三蕃市分校心血管所 Farese RV等，在肠道发现了这种酶，它可以明显抑制肥胖，降低LDL,并可以降低罹患糖尿病的风险，可称为 脂肪控制器”（Nature, Med,2009.3.15 ）o微型探测器美国加州生物医药公司开发了一种智能胶囊，内含沙粒样芯片，输入体内，它不仅可监控心率和 呼吸，还可以追踪服用的药物效果（科学时代， 2月16日）。 反分子纳

22、米颗粒一治疗肺癌癌症发生与端粒有关。最近德国科学家应用反分子作用原理，将一种反分子有效成分放在纳米颗 粒中，吸入肺部，作用於癌细胞中的端粒，可使癌细胞死亡。这种反分子纳米作用原理也可用于 其它疾病的治疗（科技日报， 3月26日）。 芯片上的大脑德国海德堡大学和斯坦福大学汇集 7个国家15个研究所与IBM合作，正在构建一台神经计算机，绘制神经及其网络联系。它将包括 20万个神经元和5000万神经突触，其速度和效率有望超过大脑。计划五年内完成。目前主要的问题是收集和处理感觉、认知情感的信息（科技日报， 3月26日）。*吃不胖的大鼠美国加州大学的科学家报告，敲除 CAN PK基因，即使无限饮食，也不

23、会产生肥胖。体重可较正常鼠低40%，且血脂正常。为基因治疗肥胖提出了一个新思路（ Cell，3月份）。*分子机器人英国牛津大学开发出一种分子微型机器人， 它的手脚都由DNA微丝组成，它可以沿着特定的细胞DNA链运动，转送 物质”和能量（生物谷，2009.1.8 ）。*动脉内的血压传感器德国Fraunhofer研究所，开发出一种血管内置的血压传感器，直径不足 1mm，可随时监测动脉血压。现已进入一期临床试验 （Scientific Amer ， 1月份）。*纳米核磁共振仪美国斯坦福大学和IBM公司联合开发岀一种纳米级的核磁共振仪，其分辨率较一般核磁共振仪高 一亿倍。可以直接测定和观察病毒、细胞、

24、蛋白和其它高分子的三维结构，提供分子影像。这将 给生物医学研究带来革命性变化（PNAS，1月份）。*纳米戒毒DARPP 32蛋白在毒品成瘾过程中起关键作用。美国科学家研制岀一种纳米颗粒，内含一种特定RNA，可以干扰和抑制DARPP基因的表达和分泌，并可通过血脑屏障，治疗毒瘾。利用这一技术， 亦可治疗其它神经性疾病和传染病（ PNAS，3月份）。*液态细胞扫描投射电镜一般电镜必须在高真空环境下工作。美国橡树岭国家实验室开发岀了新一代电镜，它将微流体装 置与扫描投射电镜相连，可对液态中的细胞进行成像，可望成为细胞生物学的通用工具（ PNAS，1月份）。无纸化的医院美国Johns Hopkin医院，

25、通过40家医院16万名病人的研究，实行了无纸化的医院， 将病人所有 健康信息，包括病历，治疗记录，化验结果，治疗程序全部实行电脑化，自动化。并与医疗决策 系统，最新医学进展，有效信息相联结，进行对比分析极大地提高了医疗科学性、准确性和治疗 效果，而且提高了诊疗速度，减少了并发症，降低了病人费用（ Med New Today，1月份）。 万能流感疫苗由于流感病毒表面抗原有多种亚型， 且极易变异，因此每年都需要依据流行病毒的亚型制备抗体。日本国立传染病研究所应用流感病毒难以变异的内部蛋白制备疫苗，可以抵抗多种流感病毒，包 括各型禽流感病毒。此外，美国国立变态反应和传染病研究所和哈佛大学对各种流感单

26、克隆抗体 进行扫描和筛选，获得了三种抗体，可对多种流感病毒，包括H5N1，产生防御作用（Scientific Amer， 2月份）。 疟疾疫苗目前世界上尚无一种抗疟疾疫苗，美国葛兰素公司针对恶性疟原虫开发岀世界上第一株疟疾疫苗。现在在坦桑尼亚和肯尼亚大规模试用 （NEJM，2008.12.11 ）。*高效RNAi新技术美国新泽西大学创建了一种新型高效多能的 RNAi新技术，主要是利用 U1 Adaptor，它具有双重 独立功能结构区域，既可作用靶基因结合位点，又可抑制 mRNA的成熟过程。因此，可以高效使基因沉默（Nature Biotech ， 2月份）。*单核苷酸测定新方法-分子单体型分析

27、美国加州大学旧金山分校利用标记长 PCR片段和内反射显微镜技术，可以直接在 DNA分子上同时测定出多个多态性位点。为 SNP研究提供一个新工具（Nature Method，2月8日）。 纳米小炸弹（Nanopartical Smart Bomb）最近美国北卡罗林大学发现了一种新的植物病毒， 它专嗜人类某种细胞，而不侵蚀其它细胞组织，它可以装置大量抗癌药物，而且可以添加信号肽，使其具有靶向性，药物释放可受 Ca离子调控。并可在体内大量复制。其体积只有发丝的 1/1000，故称纳米小炸弹。它是一种安全有效、可控的靶向性的抗癌药物载体（Sciene Daily，2月份；生物通，2月16日）。*无癌宝

28、宝（Cancer-free baby ）英国和法国的科学家通过胚胎筛查和细胞筛选，选择不具有致癌基因的胚胎，再植入母体内，并发育成胎儿，由于体内缺乏致癌基因，其癌症发病率接近零，故称无癌宝宝。现在法国已有 6名无癌宝宝英国也有1例。但长期效用和理论问题，仍在争论中（ CNN，1月9日）。*获得多能干细胞的新方法既往必须通过病毒载体携带 C-myc等4种基因，才能使成熟体细胞转化为多能干细胞。由于病毒载体导入具有潜在致癌性，而限制了多能干细胞的产生和应用。加拿大多伦多大学英国 WellcomTrust公司联合开发出一种转粒子（Transposon ）的新型转基因的方法，称为 Piggy Bac

29、（PB）转移系统，它可以成功转移基因，使细胞重新编程，产生多能干细胞。它不含外源病毒 DNA，可避免致癌风险（Nature,3月1日）。美国DMIT的科学家又开发出一种新的获得 iPS的方法。他们先在myc等4个转录基因两端加入一小段 Loxp序列，在导入体细胞使之成为iPS后，再导入Cre 酶的基因。由于它可识别 Loxp，可将外来DNA全部剔除，而获得无病毒 DNA的iPS，（ Cell，3 月份）。我国留美科学家俞君英又发明一种更新的方法，她将四种转录因子的基因加入质粒 DNA环中，通过核转染的方法导入体细胞中，它可以表达出蛋白质使体细胞成为 iPS，而质粒DNA只在染色体外表达，而不能

30、进入染色体。经过几次细胞分裂，外源 DNA质粒即可完全降解（Cell，3月份）。这些工作在干细胞研究中都具有里程碑的作用。但何种方法更安全、更有效、更实用， 仍需进一步研究。SCI和IF的新评价系统SCI影响因子是生物科学领域评价一种杂志和论文的一个重要指标。但是有不少缺陷。最近 PloSone推出了一种新评价体系，称为 论文水平评估标准” （Articles Level Metrics Project ）主要评估单篇文章的水平，包括发表杂志、使用数据、页面浏览量、引用次数、媒体报导、评论、网络连 接、读者等级等（PloS one 1月份）。 人造核糖体核糖体RNA是细胞最关键的结构，它可编码

31、蛋白质，是完成生命活动最重要的结构基础。因此， 人工合成核糖体RNA是人造生命最重要的一步。美国哈佛大学医学院遗传系丘奇和朱厄特已经制 造出世界上首个核糖体 RNA，并且已经成功表达出蛋白质。这是人造生命的一大突破。现在全球 许多实验室都在研究合成人工生命，称为 第二次物种起源”，将是一次最伟大的科学突破。尽管任务艰巨，却可望在 5 - 10年内完成（每日电讯报、生物通， 3月份）。 永不耐受的抗菌素细菌对抗菌素产生耐药性是医学领域最大的难题之一。最近美国 Albert Einstein医学院生化系已经研发岀一种永不耐药的新一代抗菌素。细菌酶 MTAN是引起细菌耐药性的关键因素。他们合成 了一组能与MTAN紧密结合的化合物，可以阻断天然 MTAN的作用，通过对大肠杆菌和霍乱弧菌 25代的连续作用，均未产生抗药性。故称为永远性抗生素（ Nature Chem Biol ，3月份）。 细胞内NMR光谱分析法日本Tokyo大学化学系Sakakibara研究组和德国科学家合作，开发了一种活细胞内 NMR光谱分 析的新技术，它可以增加灵敏度，延长样品寿命，获得更多信息，可确定活细胞内蛋白质的三维 结构（Nature，3月份）。*测定蛋白质瞬间三维结构变化的新方法蛋白质是