探索生命 惠益健康-2020年世界科技发展回顾·生物技术

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以色列科学家通过CRISPR基因编辑技术能有效破坏动物癌细胞DNA。图片来源：网络（teranews.in）

科学家希望从单个构件开始一步一步构建合成细胞。图片来源：德国马克斯·普朗克生物化学研究所

美国科学家将CRISPR-Cas9基因疗法直接用于人体临床试验，治疗遗传性眼病。图片来源：网络（sciencefinest.com）

图片来源：视觉中国

俄国家研究型大学生物与医学传播专业学生做实验。图片来源：俄罗斯yandex网

牙周病患者牙龈组织中产生脑内老年斑成分。图中显示为巨噬细胞（红）、淀粉样蛋白b（绿）、细胞核（蓝）。图片由九州大学齿学研究院武洲准教授提供

英国科学家研究了大脑中细胞如何协同工作，将不同经历的记忆连接起来。

图片来源：网络（justask.org.uk）

图片来源：视觉中国

小鼠不同发育阶段的抑制性神经元回路图谱。图片来源：德国马克斯-普朗克大脑研究所

以色列

研究抗癌、抗衰老疑难杂症超高分辨率显微镜看到活细胞

本报驻以色列记者毛黎

特拉维夫大学率先证明，通过CRISPR基因编辑技术能有效地破坏动物癌细胞DNA，同时保持周围其他细胞组织完好无损；舍巴医学中心在全球首次试验性采用“逆向个性化药物”（RPM）治疗癌症患者；特拉维夫大学研发出一种快速检测仪，可实时检测患者在接受恶性肿瘤切除后腹腔内是否还有癌细胞残留，还设计出治疗皮肤黑色素瘤的纳米载体药物系统，该系统有望扩展到其他疾病的治疗。

以色列理工大学结合质谱和计算两种方法，开发出快速且廉价地分析血液样本的新方法，将首先应用于恶性肿瘤的早期检测；他们还研发出新型自行微型机器能直接将药物、DNA和化学物质通过电穿孔技术进入特定的单细胞内。

魏茨曼科学院开发出独特方法，可在人工单元格中生产病毒小片段的独特方法，从而解决了研究高致病性病毒的安全性问题；他们还发现，细菌在受到病毒攻击时会产生保护自己的化合物，这种抗病毒机制有望成为人们应对新冠病毒和其他病毒的关键。生物物理学家和医生组成的团队开发出数学模型，可预测某些细菌抗生素治疗能否成功，帮助准确选择针对患者病情的抗生素。

巴伊兰大学研究人员证实了15年前的关于人体衰老的理论：随着时间流逝，人体实际下降的是细胞协调能力，而非细胞功能，有望为医治衰老提供新思路；特拉维夫大学和沙米尔医学中心证明，仅借助氧气就能成功逆转人体衰老过程；以色列和乌克兰研究人员首次诱导实验鼠代谢率和体温出现长期下降，据信这能使其保持健康并具有更长寿命。

基于魏茨曼科学研究院的研究成果，ImmunoBrainCheckpoint公司研发出阿尔茨海默病新疗法，并计划开展临床试验。

以色列理工大学开发出新型显微镜（DeepSTORM3D），能获得活细胞超高分辨率三维图像。耶路撒冷工学院与美国康奈尔大学合作，获得了成年斑马鱼大脑的精细结构图像，为大脑成像领域的新突破。

Remilk公司生成无需母牛的乳蛋白，将乳蛋白粉与其他物质混合后，可生产出特性、口感和结构完全相同的牛奶、奶酪、酸奶和冰淇淋等。

韩国

发现五个关键转录因子助大肠癌细胞转为正常

本报驻韩国记者邰举

韩国科学技术院与首尔三星医院共同宣布，成功开发出一种帮助大肠癌细胞向正常大肠细胞转化的原创技术。研究发现5个关键转录因子CDX2、ELF3、HNF4G、PPARG和VDR，可以将大肠癌细胞转化为正常大肠细胞。新发现的名为SETDB1的因子能够调节上述转录因子的活性。

美国

基因编辑与细胞科研成果多多种重大疾病研究有新进展

本报驻美国记者刘海英

美国科学家不仅通过癌症试验研究证实CRISPR编辑免疫细胞的安全性，还首次开展了将CRISPR-Cas9基因疗法直接用于人体临床试验，治疗遗传性眼病——莱伯氏先天性黑蒙症（LCA10），并宣布借助CRISPR基因编辑技术治愈了3名遗传病患者。

在基因编辑新工具研发方面，2020年诺贝尔化学奖得主詹妮弗·杜德纳教授领导的研究发现了一种超紧凑型CRISPR-Cas系统——CRISPR-CasΦ，与CRISPR-Cas9和Cas12a相比，新系统能对更广泛的基因序列设靶，有望成为CRISPR基因编辑工具箱中又一个强力工具。

在细胞研究领域，波士顿大学和卡内基梅隆大学的研究人员合作，开发出肺细胞培养新技术，能让所产细胞纯度更高、存活更久，有助于科学家更好构建肺病模型，推动对肺病的研究治疗；加州大学研究团队首次在实验室将人类细胞可控、可逆地变成透明，可更加清晰地显示活细胞和活组织内部的所有动态过程，这将极大推进人类对多种生物系统的透彻理解；哈佛大学研究人员利用人类多能干细胞培养出可以长毛发的皮肤“类器官”，将带来一种用于研究人类皮肤发育的工具，加深人类对疾病建模和重建手术的认识；加州大学圣迭戈分校研究人员首次将星形胶质细胞转为功能性神经元，为人类治疗神经退行性疾病带来巨大希望。

在以癌症为代表的疾病治疗研究领域，美国科学家也有很多成果。他们找到了脑疟疾发展的关键分子EphA2蛋白；发现了可以杀死人类癌细胞的脂肪酸二高-γ-亚麻酸（DGLA）；开发出可提前发现50多种癌症的验血新方法；研制出可检测阿尔茨海默病早期预警信号的成像新技术；揭示了未接受抗逆转录病毒治疗而能够控制病毒复制的患者体内抑制艾滋病病毒转录的机制。

法国

开发新型慢性乙肝治疗药物基因疗法与免疫疗法有进步

本报驻法国记者李宏策

法国利用基因编辑技术在生物医药领域继续取得成果。2020年欧洲肝脏学术研究年会（EASL2020）上，法国研究人员提出利用CRISPR-cas9开发治疗慢性乙肝的新型药物，通过基因编辑实现靶向乙肝病毒，可能产生乙肝表面抗原。

此外，基因疗法也在不断取得进展。法国巴黎视觉研究所与英、美团队合作，通过线粒体靶向技术将病毒载体注射到患者眼睛中，成功治疗了37名遗传性视神经病变（LHON）患者，78%接受治疗的患者双眼视力得到显著改善。

人们对免疫疗法抗击淋巴瘤的分子机制知之甚少。在一项新研究中，来自法国国家科学研究中心、巴斯德研究所和波尔多大学的研究人员首次观察到治疗性抗体与其靶蛋白之间的相互作用，揭示治疗性抗体结合人体CD20机制，从而为开发新的治疗方法开辟了道路。

俄罗斯

研发首个抗癌镍基化合物肿瘤检测与治疗有新方案

本报驻俄罗斯记者董映璧

2020年，俄罗斯在研发、治疗各类癌症方面取得了不少成绩。

最为突出的是俄罗斯秋明国立大学参与的国际科研团体研发出全球首个有抗癌效果的以镍为基础的化合物。该药更便宜，对患者的危害也较小，可代替该领域的铂衍生物，能改进药物研发，而不用担心癌细胞抗药性增加以及药物副作用。

此外，俄罗斯国家核研究大学“莫斯科工程物理学院”和莫斯科国立谢切诺夫第一医科大学科研人员，提出了宫颈癌前病变荧光诊断和光动力内科治疗（PDT）诊疗新方法，并在所有参与研究的女性患者身上证实了治疗的有效性。

俄罗斯奥廖尔国立大学还开发出基于光学技术诊断肝部肿瘤的方法。这种肿瘤检测方法更精确，能提高肝癌患者的治疗效率。

乌克兰

研发出生物监测荧光装置可用于诊断多种器官疾病

本报驻乌克兰记者张浩

2020年，乌克兰国家科学院物理与生物物理应用研究所研发出一种荧光装置，可用于监测呼出气体和生物蒸气中的超低浓度丙酮和氨分子。

氨指标可用于诊断肝肾功能不全和肺癌，丙酮可用于糖尿病、腺炎、心力衰竭等疾病的诊断。利用荧光信号对某些试剂高敏感性的特点，基于有机染料与丙酮和氨分子间相互作用并改变其荧光响应的能力，乌克兰研究人员研制出了这款用于检测超低浓度丙酮和氨分子的荧光装置。装置传感器的“心脏”是二氧化硅基质中的敏感膜，该基质引入了香豆素系列有机染料作为敏感成分，并引入了量子点作为荧光信号放大器。

日本

发现Pg菌可引发阿尔茨海默病给猕猴移植子宫首次成功产子

本报驻日本记者陈超

日本九州大学、北京理工大学和吉林大学联合研究首次发现，长期向小鼠全身注入牙周病的病原菌——牙龈卟啉单胞菌（Pg菌），正常中年小鼠脑外产生的大脑老年斑成分淀粉样蛋白β（Aβ）会被输送至脑内，引发阿尔茨海默病。

日本庆应义塾大学等联合团队，利用食蟹猕猴进行了子宫移植，实现全球首次非人灵长类动物子宫移植后成功产子。

日本理化学研究所宣布，利用人工诱导多能干细胞（iPS细胞）技术，开发出以高灵敏度评估人体的心脏组织功能的仪器，有望用于心脏病的再生医疗及新药开发等。

大阪市立大学发现高血压药物“美通拉隆”能延长线虫寿命，其延寿效果是通过线粒体应激反应途径发挥出来的。

神户大学、东京大学等众多研究团队合作，首次发现正常胰腺细胞表达（P）RR是癌变的根本原因之一。

英国

关注生命进化理论与细胞机制给蛋白质穿上二氧化硅“外衣”

本报驻英国记者田学科

2020年是英国科学家在生物技术研究领域成果倍出的一年。

在胚胎学研究领域，研究人员采用人体细胞，培养出人类早期胚胎发育三维组织模型，标志着在模拟人体发育方面迈出重要一步。

牛津大学科学家研究了大脑中细胞如何协同工作，将不同经历的记忆连接起来，使我们能够在日常生活中做出有根据的推测。

伦敦大学学院研究人员利用下一代测序（NGS）技术，在血液中发现了代表前列腺组织的“指纹”（早期循环生物标记物），可通过该“指纹”的变化判断癌细胞是否处于活跃和扩散状态。

英国与比利时两国科学家合作，绘制出首份人类胸腺组织图集，揭示了重要免疫细胞——T细胞的起源。

为攻克疫苗保存需要低温或超低温的缺点，研究人员巧妙地给蛋白质穿上一层二氧化硅“外衣”，即使加热到100℃或在室温下保存长达3年，疫苗的结构仍完好无损。

研究人员发现了35亿到25亿年前，生命进化过程中最早的两个代谢蛋白质，为地球早期生命形成提供了动力。这一发现还可充当化学信号，帮宇宙探索人员在其他星球上寻找生命。

剑桥大学发现，哺乳动物亚种在进化中发挥的作用比以前认为的更大，这项研究可帮助预测应重点保护的物种，以防止其濒临灭绝或消亡。

研究人员利用昆虫将浪费的食物变成可供饲养牲畜的口粮，这一项目接近尾声，将对解决人类粮食问题发挥积极作用。

巴西

新基因测序计划利用区块链记录巴西人的独特遗传数据

本报驻巴西记者邓国庆

巴西政府鼓励生物技术在人类健康、食品安全、工业产品和环境质量等领域的应用。

生物技术公司Portunus推出一项新的基因测序计划，旨在利用区块链技术。

项目研究人员介绍，这项研究不仅有可能为巴西制作准确的遗传图谱，而且还可能为巴西社会基于生理特征的自我组织带来重大影响。

德国

马普多家研究所脑科学成果显著遗传学合成生物学取得长足进展

本报驻德国记者李山

2020年，德国在脑科学领域取得丰硕成果，在遗传学和合成生物学领域也取得了长足进步。

马克斯·普朗克脑研究所绘制了抑制性神经元回路的发育图谱，并报告了独特的回路形成原理，使科学家能够监测神经元网络结构随时间的变化，从而捕捉到个体成长和适应环境的时刻。该研究所还发现，斑马鱼通过特定的机械刺激“感知”特定物种的存在，其大脑中神经肽Pth2的表达水平反映了该区域其它鱼类的存在和密度。

马克斯·普朗克人类认知和脑科学研究所成功破译了人类大脑的两个组织轴，这些轴主要是由遗传和进化形成的。马克斯·普朗克精神病研究所和魏兹曼科学研究所发现，神经细胞之间的稳定连接是记忆的基础。德国慕尼黑工业大学与马克斯·普朗克神经生物学研究所通过开发一种体内钙成像的3D成像新方法，发现多巴胺能神经元可敏锐地调节感官知觉，从而使动物的行为决策适应其内部行为状态。

马克斯·普朗克实验医学研究所发现，髓磷脂可优化大脑中的信息处理，神经细胞只有与某些神经胶质细胞协同工作，才能处理声音信号的时间序列。马克斯·普朗克衰老生物学研究所和瑞典卡罗林斯卡研究所发现，神经元有潜力通过适应新陈代谢（Krebs循环补缺）来对抗退化和促进生存。

德国马克斯·普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所首次在非人灵长类动物身上，发现所谓的“聪明基因”（ARHGAP11B）可以引起新皮质扩张，能促进灵长类新皮质体积增长以及脑回结构形成，这是人类在进化上比其它灵长类更聪明的关键部分。

德国马克斯·普朗克衰老生物学研究所，使用衰老过程中的转录组分析发现，名为circSfl的特殊环状RNA不仅依赖于胰岛素发挥作用，还可以直接影响果蝇的寿命。

马克斯·普朗克免疫生物学和表观遗传学研究所揭示了MSL复合物特异性识别雄性X染色体的机制。维尔茨堡大学系统免疫研究所破译了免疫系统功能的新细节，确定了转录因子BATF3能特异性地调节T细胞的存活，并使其转变为记忆应答。

在合成生物学方面，马克斯·普朗克复杂技术系统动态研究所、胶体和界面研究所以及哈雷大学向合成细胞又迈进一步。他们利用细菌中发现的酶，组装了许多细胞中能量代谢所必需的呼吸链中的一个关键部分，使其在人造聚合物膜中发挥作用。

马克斯·普朗克生物化学研究所则模拟基因组的复制和蛋白质合成，优化了一种基于DNA的合成蛋白质的体外表达系统，该系统能够再生其自身的DNA和蛋白质构件的一部分。

此外，马克斯·普朗克生物化学研究所深入研究100个不同类别（真核域、细菌域、古菌域）的生物体，以标准化的方式鉴定了200万个肽和34万个蛋白质，为生命科学以及基于序列的机器学习提供了大规模的研究案例，为整个进化范围内生物的功能组织研究提供了重要信息。

南非

发现免疫力相关基因帮助非洲人抵御疾病

本报驻南非记者杜华斌

南非生物学家的一项新研究发现，非洲大陆早期人类迁移改变了DNA并保护了非洲人免受疾病和病毒的侵害。

该研究分析了来自13个非洲国家的426人的全基因组，他们的祖先代表了来自整个非洲大陆的50个民族语言群体。

研究人员在讲班图语的人群中发现了62个以前未报道过的与病毒免疫力、DNA修复和代谢相关的基因，还发现了可能帮助非洲人抵抗疾病的基因组，其中很大一部分与免疫相关基因有关。

来源：科技日报

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