回顾2021年的十大科技创新技术
COVID-19大流行仍在我们身边。生物医学创新已经团结起来解决这一紧迫的问题，同时继续应对更广泛的研究挑战。
随着COVID-19大流行拖到最不受欢迎的第三年，生物医学界继续专注于诊断和治疗这种疾病也就不足为奇了。今年的10大创新获奖者名单通过一些产品反映了这些共同目标，这些产品可以帮助研究人员更好地了解SARS-CoV-2感染的生物学现实，例如询问感染病毒的细胞附近的细胞，以及免疫随着时间的推移，系统对它的反应。
但年的创新领域还包括实验室和临床产品，它们提供了更广阔的生物学视野。今年比赛的获胜者包括一个可植入的微型显微镜，它可以追踪自由移动的生物体大脑的活动；一种旨在概括整个生物体生理学的微流体装置；以及一些基于表征单个细胞的新兴趋势的产品，增加了空间信息或多组学的组成部分。
自上一期十大创新以来，世界见证了多种COVID-19疫苗的成功部署，这些疫苗本身就是真正令人惊叹的创新。在某种程度上，令人振奋的是，在关键的冠状病毒焦点之外的空间中继续发生科学进步。它表明，全球生物医学设备足够强大，可以解决紧迫而尖锐的问题，同时不会在与危机没有直接关系的领域失去优势。
以下是在我们生物科技行业在年中取得的突破和进步。
一、InscopixnVue系统
INSCOPIXnVueTM系统重2克，大小与乐高积木差不多。该公司Inscopix的应用主管AliceStamatakis表示，这种“微型显微镜”依靠针对神经元的红色和绿色荧光指示剂来追踪钙离子的流入，进而追踪自由移动动物中两种不同神经元群的活动。这使得nVue。迄今为止，研究人员已将nVue安装在啮齿动物、鸟类和猴子的头上。
Stamatakis补充说，微型显微镜提供了另一个优势：纵向深部脑成像，其中可以在多个成像会话中分析相同的细胞。她说，双光子显微镜还允许同时对两个神经元群进行成像，但它主要限于大脑皮层，并且需要动物受到头部的约束，从而影响了对行为的研究。“[nVue]将为神经科学家提供前所未有的视角，了解这些不同的大脑信号如何在自然行为期间相互交流和交谈。”系统内置的数据采集和处理软件有助于完成图像。
除了基础生物学之外，双微型显微镜还可以帮助神经精神和神经退行性疾病（例如焦虑症或阿尔茨海默病）的转化研究。瑞士巴塞尔大学的神经学家KellyTan使用nVue系统研究帕金森病小鼠模型中神经元群之间的交流。“这是电路神经科学的一个突破，”Tan在Inscopix的视频和网络研讨会中强调了双微型显微镜的优点，他告诉科学家。
除了跟踪两个神经元群外，研究人员还可以使用微型显微镜将来自神经元中钙流入和血液中血浆的荧光信号并置。这允许分析神经元活动与血管动力学之间的关系，包括大脑中的毛细血管直径和红细胞速度。Stamatakis说，Inscopix现在正致力于将电生理记录和增强的行为分析分层到微型显微镜中。
Inscopix拒绝提供该系统的价格，并解释说成本因地区而异。
WILEY：“创新在于它允许研究人员做些什么，即随着时间的推移跟踪自由行为动物大脑中的两种活动。”
二、CNBioPhysioMimixOOC多器官微生理系统
CNBIOCNBio通过国防高级研究计划局(DARPA)和MIT之间的合作，经过大约10年的研发，于年3月发布了PhysioMimixOOC多器官微生理系统。一个微流体器官芯片平台支撑着PhysioMimix多器官系统，并允许科学家连接单个器官芯片模型——例如，由CNBio开发的带有肠道或肺模型的肝脏模型——对于疾病研究和药物开发，公司首席执行官大卫休斯解释说。
每个芯片都包含数百万个器官特异性人体细胞，这些细胞可以以多孔板形式连接。Hughes说，该系统通过允许培养基再循环到不同的器官培养室来模拟生物条件。与从动物模型中收集到的见解相比，这“创造了更能预测人类反应的数据”。他补充说，该产品旨在“为制药行业的研究人员提供更准确、与人类相关的信息”。
约翰霍普金斯大学免疫学家和生物工程师MartinTrapecar在他的实验室中使用该系统研究自身免疫和自身炎症疾病对肠道和肝脏组织的影响。他说，该产品提供了一个更现实的模型来开发再生和个性化疗法，并“消除了研究免疫学的许多问题。...另一个好处是它让我非常细致地了解组织-组织和组织-免疫相互作用如何影响整个系统的行为。”根据公司公告，CNBio认为这项技术是迈向最终“片上体”系统的里程碑。
该公司拒绝透露该系统的价格。
三、VizgenMERSCOPETM
维兹根Vizgen的MERSCOPETM是今年前10名中的两个空间基因组学工具之一，是目前唯一可供购买的单细胞空间基因组学仪器。该平台旨在进行和分析多重抗错荧光原位杂交(MERFISH)实验，该平台可检测来自完整组织中数百个基因的RNA转录本，并以亚细胞分辨率返回成像和表达数据。
Vizgen联合创始人兼技术和合作伙伴关系总监GeorgeEmanuel说，该产品被开发为“一种新型研究工具，让人们对生物系统有了前所未有的了解”。“你可以准确地知道每个转录本的位置，精度达到纳米。”
索尔克研究所的PallavKosuri正在使用MERSCOPETM进行详细的心脏组织成像，他说直接使用该仪器很有用，并补充说虽然样品制备很费力，但分析是由MERSCOPETM全自动进行的。“一切都进行得很顺利，”Kosuri说，他在哈佛大学实验室做博士后，在那里开发了这项技术，但没有参与这项工作。当他需要技术支持时，“该公司非常擅长花时间和精力与我们一起排除故障。”
一笔价值,美元的采购包括自动化仪器、数据可视化软件和其他运行MERFISH实验所需的基础设施；研究人员感兴趣基因的试剂和探针需要额外付费。第一批设备于今年8月发货。
Kosuri说Vizgen可以为平台定价如此之高，因为目前，他们“是唯一这样做的人”。但对于许多实验室来说，它的成本高得令人望而却步。“作为一名调查员，这是非常陡峭的。”
KAMDAR：“MERSCOPE是第一个商用的高重、单细胞空间基因组学平台，用于对整个组织的基因表达进行空间分析，并以纳米级分辨率解析单个转录本。基因表达和空间分析的协调为细胞的精确结构打开了新的窗口。”
四、模拟脑芯片
芯片在血脑屏障（BBB）提出为靶向大脑药物的发展提出了挑战。排列在大脑血管内的细胞层进化来帮助阻挡可能损害这个重要器官的毒素或其他分子，但它们也阻止了大多数疗法的通过。拥有长达十年的器官芯片模型开发历史，生物技术公司Emulate着手创建一个可以准确模拟这一屏障及其两侧结构的模型。
“这是我们最复杂和最具冒险精神的芯片，因为它不仅有内皮细胞，还有星形胶质细胞、周细胞、小胶质细胞和神经元，”该公司科学执行副总裁LornaEwart说。
的脑片，将其在年12月公布的，由嵌入在弹性橡胶聚合物两个信道。一个通道内衬干细胞衍生的内皮细胞，代表血管壁，另一个通道内衬神经元和神经胶质。在芯片的中间，两个通道接触。当流体通过“血管”通道时，科学家们可以研究分子如何与另一个通道相互作用并移动到另一个通道——有效地穿过BBB——以及它们如何影响那里的结构。
Brain-Chip可以模拟健康和不健康的神经状态。在洛杉矶的CedarsSinai，发育生物学家MichaelWorkman及其同事一直在使用源自患者的干细胞系来创建神经退行性疾病模型，例如脑芯片上的帕金森病。“这些芯片中的每一个都像是一个耐心的小化身，”他说。“我们确实对这种个性化的健康和精准医疗方法非常感兴趣，并将这些微流控芯片视为进一步推动这一目标的一种方式。”
Emulate拒绝提供Brain-Chip的价格，因为它取决于最终用户的要求。
WILEY：“用于大脑研究的非常复杂的器官芯片，为研究神经炎症和血脑屏障功能的机制提供了一种新的、强大的方法。”
五、QBioGemini和MarkI
生物扫描器通过Q生物在年4月相继出台，以此来更全面地超过先前可能在医疗监测病人的健康。尽管它还没有广泛使用，但作为试点计划的一部分，该公司正在向有限数量的患者和医生推出它。
与X射线、计算机断层扫描(CT)或正电子发射断层扫描不同，MarkI原型使用磁共振成像(MRI)扫描患者坐下、站立或躺下的整个身体，可创建无辐射的高质量图像（宠物）。使用MarkI进行扫描只需大约15分钟，而传统全身扫描可能需要一个多小时。影像信息连同医疗记录、遗传数据以及传统上获得的血液、尿液、唾液和生命体征检测结果一起上传到Gemini平台。将所有这些数据放在一起，该平台创建了患者解剖结构、生命体征和身体化学的“数字孪生”。
QBio的创始人兼首席执行官JeffreyKaditz说，通过对这些数据进行分类，可以比较随着时间的推移发生的微小变化，并且数学模型可以在问题发生之前进行预测。这可以让医生根据年度扫描有效地对患者的需求进行分类。目前，每年的患者会员费用为3,美元，包括扫描和咨询。QBio尚未申请FDA批准，公司不接受健康保险。
“我们的目标是大规模提供医疗保健的方式发生翻天覆地的变化，”比佛利山庄精准医学研究所首席医学和科学官威廉斯坦福通过电子邮件说，并补充说双子座是“完美的辅助”该设施的多组学数据收集工作。他指出，这种方法可能有点麻烦，因为他的患者必须从洛杉矶飞往加利福尼亚北部，然后开车到QBio位于红木城的设施进行扫描——所有这些都需要大约8个小时的往返时间。结果两周后回来，可以发送给患者的主治医生。
WILEY：“这是一个软硬件平台，用于创建患者的数字表示，可以随着时间的推移进行存储和分析。非常快速（15分钟）的全身扫描仪是关键。在开发用于理解人类生理和衰老的数字框架方面，这确实是一项突破性的创新。”
六、10xGenomicsChromiumX
基因组学ChromiumX是10xGenomics用于单细胞分析的最新仪器。用户在悬浮液中加载细胞并将试剂和分配油添加到微流控芯片中，然后进入台式仪器。由此产生的液滴，或凝胶珠在乳液(GEM)，每个都包含一个细胞、一个带条形码的凝胶珠和一个试剂，随时可以进行测序并用于10xGenomics提供的检测，包括基因表达分析、表观遗传分析和免疫细胞分析。每个GEM都带有一个唯一的条形码，允许用户稍后将结果链接回单个单元格。
ChromiumX是10xGenomics的一系列产品中的最新产品，这些产品赢得了Top10创新的榜首位置。在，该公司的单细胞，基于微滴的测序系统进行了前10名，并在年，该铬单细胞MultiomeATAC+基因表达分析赢得了现场。ChromiumX改进了以前的产品，因为它具有灵活性，公司产品管理-单电池副总监JensDurruthyDurruthy说。“ChromiumX是可扩展的，既可用于数百个细胞的低通量分析，也可用于多达一百万个细胞的高通量分析。”
加州理工学院单细胞分析和工程中心主任SisiChen在给TheScientist的电子邮件中指出，ChromiumX的高通量能力对她的研究至关重要。她使用年7月推出的ChromiumX来探索治疗性化合物如何影响人体免疫系统，该系统允许她同时刺激万个免疫细胞，每个细胞都有多达种不同的治疗方法中的一种，并跟踪它们回应。“我们希望在成百上千种不同的独特条件下分析[免疫]系统，”陈说。
在美国，ChromiumX的售价为,美元。通过高通量分析，用户可以将每次运行的成本降低到每个细胞2美分。
HOCKBERGER：“10XGenomics携其旗舰仪器Chromium的全新高分辨率、高分辨率版本回归。最新产品以可承受的价格提供高通量、单细胞基因表达分析和免疫分析，实现了大众化。做得好！”
七、TheNativeAntigenCompanySARS-CoV-2中和检测开发套件
抗原几年前，世界卫生组织将“疾病X”添加到其新出现疾病的短名单中——这是具有大流行潜力的未知病原体的占位符。在研究天然抗原公司，即设计试剂传染病研究总部位于英国的组，推测在年11月一个候选人可能是冠状病毒，一个会在亚洲出现的可能性和蔓延的动物。然后是SARS-CoV-2。
到年春季，TheNativeAntigenCompany开发了一种冠状病毒中和测定法，以确定血清样本中与病毒结合从而中和病毒的抗体水平。该测定使用合成版本的SARS-CoV-2刺突蛋白的受体结合域及其靶标哺乳动物ACE-2受体，并将它们与基于ELISA的平台配对，该平台通过颜色变化量化抗体的中和能力，公司商务总监AndrewLane解释道。他补充说，研究人员可以使用该工具来探索患者对感染的反应，并研究疫苗功效等其他应用。
根据莱恩的说法，该试剂盒不需要活病毒，与使用称为假病毒的良性工程病毒的方法相比，速度更快。自年4月发布第一个试剂盒以来，该公司已经生产了五种变体的检测方法。“对我们来说，这有点像即插即用系统。我们可以很快地制作具有不同变体的套件，”Lane说。每个套件分析个样品，成本为2,美元。
“总的来说，我们对它的反应非常满意，”牛津大学博士后研究员MatthewEdmans说，他正在使用该检测方法研究使用免疫调节药物的患者对SARS-CoV-2感染的反应。Edmans也使用假病毒，但同意它们可能“相当复杂”，而TheNativeAntigenCompany的检测“只是运行起来更快、更直接”。
KAMDAR：“需要评估患者对新兴变体免疫的保护和寿命。这一切都是在不需要BSL3设施的情况下完成的，从而为这些关键的公共卫生问题提供了更安全的替代方案。”
八、MissionBioTapestri单细胞多组学解决方案
分析系统MissionBio的Tapestri单细胞多组学解决方案于年10月推出，是一种单细胞分析过程，允许用户同时考虑DNA序列和蛋白质组信息——传统设置的创新，需要单独的系统来分析核酸酸和蛋白质，因此在单细胞水平上不能相关。任务生物的Tapestri精密基因组学平台获得了一个点的科学家的十大创新并且是单细胞的DNA测序样品制备第一高通量工具。“随后我们能够添加其他分析物，例如蛋白质，”MissionBio的联合创始人兼技术与系统高级总监AdamSciambi说。
使用Tapestri单细胞多组学解决方案，DNA和蛋白质的检测结合在一个单一的集成工作流程中，一次可以分析多达10,个细胞。Tapestri仪器使用微流体技术捕获液滴中的单个细胞，这些液滴包含用于DNA测序的试剂和用于标记细胞表面蛋白质的抗体，以及一个条形码珠。Sciambi说：“我们平台的结果是每一段DNA都被贴上标签，告诉你它来自哪个液滴。”然后使用下一代测序对DNA进行测序，并对细胞表面蛋白质进行表征。MissionBio拒绝透露该平台的成本。
比利时VIB-KULeuven癌症生物学中心的分子生物学家JanCools使用Tapestri平台研究了急性淋巴细胞白血病(ALL)的潜在突变。他现在计划使用MissionBio的Tapestri单细胞多组学解决方案来获取有关细胞表面标记物的更多信息，他说这种设置对于研究不同类型的血癌——急性髓性白血病(AML)尤其有用。Cools说，在AML中，已知一些白血病细胞更像干细胞，而另一些则更具分化，这种差异可以通过查看细胞表面标记和测序数据来捕捉。
KAMDAR：“Tapestri是唯一能够以单细胞分辨率同时分析同一样品的DNA和蛋白质的商业化多组学平台。真正的力量是能够在基因组、转录组和蛋白质组之间生成相关数据。”
九、CardeaBioCRISPR-SNP-Chip
CardeaBio的CRISPR-SNP-Chip是第一个能够检测DNA中单碱基差异的设备，而无需首先生成数百万个DNA拷贝。“我们可以在不需要DNA实验室的情况下进行DNA测试，”Cardea首席执行官MichaelHeltzen解释说。
Cardea最新的生物处理单元或BPU（类似于计算机技术基础的CPU），该芯片是该公司CRISPR-Chip的更新版本Keck研究生院生物医学工程师兼Cardea首席科学官KianaAran说，这已经允许快速、无扩增地检测大的、疾病相关的序列变异和转基因插入成功，以及其他应用。她解释说，这两个版本都由连接到石墨烯晶体管的CRISPR-Cas系统组成。当Cas酶的引导RNA与正确的序列结合时，它会将DNA拉近晶体管。因为DNA带负电，这会在半导体石墨烯中产生一个可以数字读取的电子信号。“你让生物学做它擅长的事情，然后你用我们的传感器感知它，”Aran说。“我们利用生物学作为技术的力量。”
Aran指出，让芯片能够检测单核苷酸多态性(SNP)，包括用更灵敏的版本替换Cas酶并升级数据分析。作者写道，在4月的一篇论文中，该团队展示了更新后的芯片检测镰状细胞性贫血和肌萎缩侧索硬化(ALS)基础SNP的能力，尽管潜在应用仅受创造力的限制。Aran说，它最直接的用途是用于医学或农业目的的基因编辑的质量控制。
有兴趣使用这些芯片的人可以申请Cardea的合作计划。虽然确切的成本取决于应用，但Heltzen指出，每片芯片的价格已从几年前的数千美元降至数十美元。
HOCKBERGER：“临床诊断的另一个游戏规则改变者。”
十、ResolveBiosciencesMolecularCartographyTM单细胞空间分析服务
亚细胞分辨率下成年斑马鱼脑中的基因表空间生物学解决了细胞在组织环境中的功能。虽然单细胞测序方法在该领域取得了许多进展，但它们缺乏提供亚细胞尺度3D数据的分辨率，并且涉及破坏组织样本。ResolveBiosciences的MolecularCartography单细胞空间分析服务是今年前10名中的第二个空间基因组学工具，而是提供荧光原位杂交(FISH)来创建表达基因的高分辨率图像——直到亚细胞等级。
邮寄服务于6月2日在北美和欧洲推出，可检测完整组织内的单个RNA转录本。公司首席执行官兼联合创始人JasonGammack说：“我们几乎可以检查您可以放在载玻片上的任何组织，”他补充说该平台可以同时分析24个样本。他说，成本取决于项目规范，但大多数客户可以生成大约4,欧元的样本数据。这包括与客户技术顾问会面以定义项目范围和回邮信箱中的样品制备套件。研究人员会在大约4周内收到一份关于他们选择的基因的总结报告和数据——该平台让研究人员可视化多达个基因；顾问还帮助研究人员解释数据。
VIB-KULeuven癌症生物学中心的Jean-ChristopheMarine通过他所在机构的一项支持及早获取新技术的倡议使用了这项服务。“我们对数据非常满意，”研究黑色素瘤肿瘤内异质性的Marine说。“[The]绝大多数探针都有效，并且。..你的决心很好。”他补充说，这项服务价格合理，尽管由于邮寄人类样本的限制，他的团队只能分析老鼠样本。
未来，ResolveBiosciences计划让整个MolecularCartographyTM平台可供研究人员自行操作。Gammack说，该公司还将扩展可以成像的分子类型，接下来是蛋白质。“我们现在正在积极开发这种化学反应。”
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