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年度盤點(diǎn):2022年全球十大熱門生物技術(shù)

聲明:本文為火石創(chuàng)造原創(chuàng)文章,歡迎個(gè)人轉(zhuǎn)發(fā)分享,網(wǎng)站、公眾號(hào)等轉(zhuǎn)載需經(jīng)授權(quán)

前言

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革持續(xù)推進(jìn),學(xué)科之間、技術(shù)之間、科學(xué)和技術(shù)之間日益呈現(xiàn)交叉融合趨勢(shì)。2022年,全球生物技術(shù)領(lǐng)域不斷突破,加速推動(dòng)形成新的醫(yī)學(xué)健康場(chǎng)景,并深刻改變或影響人類社會(huì)生命發(fā)展的軌跡。把握醫(yī)藥健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì),緊抓前沿創(chuàng)新發(fā)展機(jī)遇,對(duì)于各國(guó)搶占未來(lái)科技制高點(diǎn),打造生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)高地具有重要意義。本文綜合對(duì)社會(huì)的影響力、技術(shù)發(fā)展?jié)摿、產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶動(dòng)、市場(chǎng)應(yīng)用前景等情況,篩選2022年最為熱門的十大前沿生物技術(shù)展開(kāi)介紹。

1

AI蛋白質(zhì)折疊技術(shù)

蛋白質(zhì)由氨基酸組成,氨基酸會(huì)折疊成一個(gè)復(fù)雜而扭曲的結(jié)。確定這種形狀,從而確定蛋白質(zhì)的功能,往往需要在實(shí)驗(yàn)室中花費(fèi)數(shù)月時(shí)間。2020年,由倫敦Alphabet子公司DeepMind開(kāi)發(fā)的AlphaFold2結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)算法,依靠“深度學(xué)習(xí)”策略從其氨基酸序列中推斷折疊蛋白質(zhì)的形狀,且大部分情況下準(zhǔn)確度極高,一舉破解了困擾學(xué)界長(zhǎng)達(dá)五十年之久的“蛋白質(zhì)折疊”難題。

2021年,DeepMind與 EMBL-EBI 共同發(fā)布了開(kāi)放可搜索的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù) AlphaFold DB,與世界共同分享這一技術(shù)。2022年7月,DeepMind 宣布 AlphaFold DB 已擴(kuò)展到超過(guò) 2 億個(gè)結(jié)構(gòu),包含了幾乎科學(xué)上已知的所有蛋白質(zhì),這極大地提升人們對(duì)于生物學(xué)的理解,并加速各個(gè)領(lǐng)域的研究。

目前,AlphaFold 算法包含植物、細(xì)菌、動(dòng)物和其他生物的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu),為眾多重要問(wèn)題的解決提供了許多新機(jī)會(huì),包括可持續(xù)性發(fā)展、糧食不安全和被忽視的疾病等方面,已經(jīng)對(duì)人類健康產(chǎn)生了重大而直接的影響。同時(shí),伴隨AI與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能的預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)結(jié)合愈加深入,相關(guān)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用空間也在逐漸打開(kāi)。

2

空間多組學(xué)技術(shù)

空間多組學(xué)包括空間基因組學(xué)、空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)和空間蛋白質(zhì)組學(xué)等,相較于單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué),空間多組學(xué)的特點(diǎn)為更加強(qiáng)調(diào)空間位置分布以及分析具有共同特點(diǎn)的一組生物體。通過(guò)量化數(shù)十到數(shù)百個(gè)基因、轉(zhuǎn)錄物或蛋白質(zhì),空間組學(xué)能夠在自然組織或細(xì)胞結(jié)構(gòu)的背景下收集有價(jià)值的分子、細(xì)胞和微環(huán)境信息。

目前空間多組學(xué)廣泛應(yīng)用在腫瘤、發(fā)育生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域,并展現(xiàn)出良好應(yīng)用前景,行業(yè)內(nèi)蘊(yùn)藏著巨大商業(yè)機(jī)遇,行業(yè)內(nèi)上市企業(yè)、新銳公司加速涌現(xiàn),包括AKOYA Bioscience、Bio-Techne、10x Genomics、Vizgen等。如在腫瘤學(xué)領(lǐng)域,空間多組學(xué)技術(shù)能將腫瘤三維分子結(jié)構(gòu)解構(gòu)到亞細(xì)胞水平,并繪制腫瘤細(xì)胞與腫瘤免疫微環(huán)境(TME)之間的相互作用,對(duì)液體生物標(biāo)志物進(jìn)行更復(fù)雜的分析。

3

瘧疾疫苗

瘧疾為瘧原蟲(chóng)所引起的嚴(yán)重危害人類生命健康的寄生蟲(chóng)病,主要集中在撒哈拉以南的非洲地區(qū),該地區(qū)的病例約占全世界的95%。每年有60多萬(wàn)人死于瘧疾,并且大部分為5歲以下的兒童。2021年10月,世衛(wèi)組織建議為高危兒童接種“突破性”瘧疾疫苗(RTS,S/AS01)。

RTS, S/AS01疫苗由英國(guó)制藥公司葛蘭素史克(GSK)研發(fā),這也是世界上首個(gè)可有效預(yù)防致死率最高的惡性瘧原蟲(chóng)瘧疾的疫苗。此前,RTS, S/AS01在非洲地區(qū)的多中心Ⅲ期臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,5~17月齡兒童接種4劑疫苗后,臨床發(fā)病的平均保護(hù)效率為36.3%,部分地區(qū)可實(shí)現(xiàn)約50%的臨床保護(hù)效率。雖然RTS, S/AS01存在保護(hù)力不夠高,成本較高等缺陷,但作為瘧疾疫苗研究領(lǐng)域零的突破,其具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

另外,在2022年9月英國(guó)刊物《柳葉刀·傳染病》的一篇研究論文顯示,依據(jù)英國(guó)牛津大學(xué)研發(fā)的R21/Matrix-M瘧疾疫苗最新臨床數(shù)據(jù),受試者接種該款疫苗的加強(qiáng)針后,能夠?qū)⒁呙绫Wo(hù)效力維持在較高水平。這款疫苗很可能會(huì)因此首次實(shí)現(xiàn)世界衛(wèi)生組織提出的在2030年前找到有效性不低于75%的瘧疾候選疫苗的目標(biāo)。

4

納米抗體

納米抗體為僅含有VHH區(qū)域片段的重鏈單域抗體。它是由駝科動(dòng)物(駱駝、大羊駝、羊駝及其近親物種)重鏈可變區(qū)構(gòu)成。相比于傳統(tǒng)抗體,納米抗體具有相對(duì)分子質(zhì)量小、人源化簡(jiǎn)單、親和力高、穩(wěn)定性高、免疫原性低、穿透力強(qiáng)、可溶性好等優(yōu)勢(shì)。并且,利用納米抗體構(gòu)建出的雙特異性抗體分子,其仍能夠保持其組織滲透性。

近年來(lái)納米抗體發(fā)展迅速,主要應(yīng)用于生物醫(yī)藥研發(fā)、臨床體外診斷、腫瘤研究、免疫學(xué)研究等領(lǐng)域,并在某些傳統(tǒng)方法難以解決的靶點(diǎn)、患者基數(shù)大的慢病用藥、副作用大的標(biāo)準(zhǔn)療法等領(lǐng)域,納米抗體擁有巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。截止目前納米抗體臨床在研數(shù)量全球范圍內(nèi)有20余個(gè)、上市藥物有兩款,一個(gè)是Ablynx研發(fā)的全球首個(gè)納米抗體Caplacizumab(于2018年在歐盟獲批上市),另一個(gè)為康寧杰瑞自主研發(fā)的PD-L1納米抗體Fc融合蛋白,該產(chǎn)品是全球第一個(gè)且目前唯一獲批上市的皮下注射PD-L1抗體(于2021年在中國(guó)獲批上市)。

5

細(xì)胞3D打印技術(shù)

細(xì)胞3D打印,是以活的細(xì)胞(或干細(xì)胞)為基本構(gòu)建單元,輔助以生物材料(生物墨水),在仿生原理和發(fā)育生物學(xué)原理的指導(dǎo)下,按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的計(jì)算機(jī)模型,通過(guò)3D打印技術(shù)將細(xì)胞/生物材料/生長(zhǎng)因子等物質(zhì)放置在特定的空間位置,并通過(guò)層層粘接形成所要求的三維結(jié)構(gòu)體。細(xì)胞3D打印技術(shù)是目前生物3D打印技術(shù)的最前沿技術(shù),也是實(shí)現(xiàn)器官打印的最大潛在技術(shù)。

細(xì)胞3D打印技術(shù)根據(jù)其離散細(xì)胞墨水的方法主要分為噴墨式細(xì)胞打印技術(shù)、微擠出式細(xì)胞三維打印技術(shù)、激光直寫(xiě)式細(xì)胞打印技術(shù)、立體光刻細(xì)胞三維打印技術(shù)、聲波驅(qū)動(dòng)式細(xì)胞打印技術(shù)等類型。

2022年2月,清華大學(xué)、曼切斯特大學(xué)以及我國(guó)中科院等科學(xué)家在生物材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Bioactive Materials》上發(fā)表了論文《A multi-axis robot-based bioprinting system supporting natural cell function preservation and cardiac tissue fabrication》,提出了一種基于六軸機(jī)器人并且不依賴于生物材料固化的細(xì)胞打印新策略,從而實(shí)現(xiàn)了全角度細(xì)胞打印和打印后細(xì)胞的長(zhǎng)期存活。

2022年6月,再生醫(yī)學(xué)植入物科技公司3DBio Therapeutics宣布首次在人體試驗(yàn)中成功植入了來(lái)自患者自身細(xì)胞的3D打印耳朵,為一名先天性小耳畸形患者重建了外耳。這次移植也標(biāo)志著3D打印組織工程向前邁出了一大步。

6

DNA折紙技術(shù)

DNA折紙技術(shù)是利用DNA分子所具有的結(jié)構(gòu)特征和堿基互補(bǔ)配對(duì)原則折疊長(zhǎng)鏈DNA上的特定區(qū)域,再通過(guò)短鏈的固定,構(gòu)造出預(yù)期的結(jié)構(gòu)。通過(guò)DNA折紙技術(shù)有助于對(duì)研發(fā)更精密、高效的納米器件。目前,全球DNA折紙正在加快發(fā)展中,以產(chǎn)生藥物遞送平臺(tái),診斷納米機(jī)器人和酶包埋納米制造,用于代謝物生產(chǎn)等應(yīng)用領(lǐng)域。

2022年7月,英國(guó)牛津大學(xué)的Ramin Golestanian &德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Friedrich C. Simmel和Hendrik Dietz等研究者在Nature發(fā)表了題為“A DNA origami rotary ratchet motor”的論文,公布了其最新的研究成果——旋轉(zhuǎn)馬達(dá),這是一種由DNA折紙構(gòu)建的納米級(jí)旋轉(zhuǎn)馬達(dá),該馬達(dá)由棘輪驅(qū)動(dòng),憑借高達(dá)每分鐘250轉(zhuǎn)的角速度和高達(dá)10 pN nm的扭矩,馬達(dá)實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速和扭矩接近于強(qiáng)大的天然分子機(jī)器(例如 ATP 合酶)已知的轉(zhuǎn)速和扭矩。該研究推動(dòng)了DNA納米技術(shù)向前邁出了重要一步,證明DNA可用于制造由多個(gè)部件組成的馬達(dá),這些部件的尺寸可達(dá)數(shù)百納米,但具有精確制造的更小尺寸的特征。

2022年8月,荷蘭阿姆斯特丹科學(xué)公園的Alexander Cumberworth等研究者,通過(guò)對(duì)DNA折紙晶格模型的蒙特卡洛模擬,發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計(jì)可以有成核能壘,并且該能壘在較低的溫度下消失,使等溫組裝的成功合理化。研究表明,為DNA折紙組裝創(chuàng)建細(xì)胞核能壘,能有助于優(yōu)化組裝時(shí)間和產(chǎn)量,而消除能壘可能允許快速分子傳感器,可以組裝/拆卸,而不滯后地響應(yīng)環(huán)境的變化。

7

DNA硬盤

DNA存儲(chǔ)在半個(gè)世紀(jì)前由著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼提出,并在1988年由MIT的科學(xué)藝術(shù)家喬·戴維斯首次實(shí)現(xiàn)。DNA存儲(chǔ)的原理為將DNA分子中的堿基序列與存儲(chǔ)信息編碼一一對(duì)應(yīng),將文字、圖片、聲音等信息轉(zhuǎn)化為DNA序列進(jìn)行存儲(chǔ)。近年來(lái),在全球數(shù)據(jù)信息總量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的背景下,DNA存儲(chǔ)技術(shù)開(kāi)始在不同領(lǐng)域探索應(yīng)用。

DNA存儲(chǔ)成為基礎(chǔ)的新存儲(chǔ)技術(shù)被作為優(yōu)先的研究方向,能極大解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中存在的負(fù)荷與問(wèn)題。整體看,DNA存儲(chǔ)具備高密度,超穩(wěn)定和低能耗等三大突出優(yōu)勢(shì)。高密度方面,其存儲(chǔ)密度從10的9次方到對(duì)比硬盤10的3次方,高出6個(gè)數(shù)量級(jí);穩(wěn)定性方面,其能較完好的保持百萬(wàn)年古生物的DNA;低能耗方面,1GB數(shù)據(jù)硬盤存儲(chǔ)能耗大約為0.04W,而DNA存儲(chǔ)的能耗則可小于10^-10W(10的負(fù)10次方W)。

2022年4月,華大研究院、深圳國(guó)家基因庫(kù)等多家機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在《自然-計(jì)算科學(xué)》(Nature Computational Science)發(fā)表研究論文。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合DNA雙鏈模型,開(kāi)創(chuàng)了一套名為“陰陽(yáng)”的比特-堿基編解碼系統(tǒng),用以解決當(dāng)前DNA信息存儲(chǔ)領(lǐng)域的技術(shù)難題,并驗(yàn)證了該系統(tǒng)在信息密度、技術(shù)兼容性、數(shù)據(jù)恢復(fù)穩(wěn)定性等多方面的優(yōu)勢(shì)。

8

靶向基因療法

基因療法(Gene Therapy)是指將外源性功能正常的基因以某種載體遞送至人體內(nèi)的靶細(xì)胞中,通過(guò)對(duì)有缺陷的基因進(jìn)行糾正來(lái)實(shí)現(xiàn)治療疾病的目的。同時(shí),由于可以靶向異常的基因,在一些疾病中,基因療法也被看作能從根源上治愈疾病。但是,科學(xué)家們面臨的主要挑戰(zhàn)為制造合適的“運(yùn)輸”工具,其能將基因和分子帶入需要進(jìn)行治療的細(xì)胞,同時(shí)還能避開(kāi)并不需要接受治療的細(xì)胞。

目前,加州理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在 Nature Neuroscience上發(fā)表題為《AAV capsid variants with brain-wide transgene expression and decreased liver targeting after intravenous delivery in mouse and marmoset》的研究報(bào)告,該團(tuán)隊(duì)科學(xué)家通過(guò)研究開(kāi)發(fā)了一種基因運(yùn)輸系統(tǒng),此系統(tǒng)能特異性地針對(duì)腦細(xì)胞同時(shí)還會(huì)避開(kāi)肝臟。由于用于治療大腦疾病的基因療法可能會(huì)對(duì)肝臟產(chǎn)生毒性免疫反應(yīng)的副作用,因此長(zhǎng)期以來(lái),科學(xué)家們希望找到一種只針對(duì)預(yù)定靶點(diǎn)的運(yùn)輸載體,這一基因運(yùn)輸系統(tǒng)的重要性便在于此。這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵是適用腺相關(guān)病毒(AAVs),AAVs由兩種主要組分組成,包括衣殼的外殼(由蛋白質(zhì)所組成)和衣殼內(nèi)的遺傳物質(zhì)。為了利用重組AAVs進(jìn)行基因療法,研究者從衣殼中移除了病毒的遺傳物質(zhì),將其替代為所需的“貨物”,比如一個(gè)特定的基因或小型治療性分子的編碼信息。

9

數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的等價(jià)虛擬體,借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及算法模型等,模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)、控制物理實(shí)體全生命周期過(guò)程的技術(shù)手段。數(shù)字孿生技術(shù)由多項(xiàng)技術(shù)支持,包括認(rèn)知與控制輔助、建模支持、數(shù)據(jù)管理、數(shù)字孿生連接等技術(shù)。當(dāng)前,數(shù)字孿生技術(shù)的創(chuàng)新正在徹底改變醫(yī)療領(lǐng)域。醫(yī)生和研究人員有望運(yùn)用數(shù)字孿生預(yù)測(cè)健康結(jié)果、優(yōu)化病患護(hù)理、跟蹤藥物有效性等。

近期,歐洲成立并領(lǐng)導(dǎo)的DigiTwin聯(lián)盟集結(jié)了來(lái)自32個(gè)國(guó)家的臨床、工業(yè)和學(xué)術(shù)合作方,旨在為每個(gè)歐洲公民的各種疾病創(chuàng)建數(shù)字孿生體,并可以作為國(guó)際IDT聯(lián)盟某些方面的典范。

2022年6月,GNS與全球阿爾茨海默病平臺(tái)基金會(huì)(GAP)宣布了為期3年的合作伙伴關(guān)系。此次合作將利用來(lái)自GAP的Bio-Hermes研究的豐富臨床基因組數(shù)據(jù)的完全去識(shí)別化數(shù)據(jù)集來(lái)構(gòu)建下一代阿爾茨海默。ˋD)的Gemini虛擬患者。根據(jù)協(xié)議,GNS將利用其Gemini虛擬患者技術(shù)和GAP的數(shù)據(jù)在AD中構(gòu)建“數(shù)字雙胞胎”。這將能夠在虛擬人類患者中進(jìn)行基因和蛋白質(zhì)敲除研究等實(shí)驗(yàn),以幫助發(fā)現(xiàn)疾病驅(qū)動(dòng)因素和藥物靶點(diǎn)的新組合。

10

無(wú)標(biāo)記活細(xì)胞成像技術(shù)

基于細(xì)胞成像的分析技術(shù)一般需要使用熒光染料進(jìn)行標(biāo)記,一些熒光標(biāo)記可能對(duì)活細(xì)胞具有毒性或者只能用于固定過(guò)的細(xì)胞進(jìn)行染色。無(wú)標(biāo)記成像是在不標(biāo)記或不改變細(xì)胞的情況下的顯微成像,其作為一種可進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù)和監(jiān)測(cè)細(xì)胞生長(zhǎng)狀態(tài)的新方法,可以識(shí)別和量化包括細(xì)胞分裂、增殖、運(yùn)動(dòng)、遷移、分化和死亡在內(nèi)的細(xì)胞事件,并能極大節(jié)約試驗(yàn)的時(shí)間和昂貴的染料。無(wú)標(biāo)記成像在更好地了解和展示細(xì)胞生命進(jìn)程方面有著巨大的潛力。

2022年,美國(guó)PSC(Photothermal Spectroscopy Corp)公司成功研發(fā)出一款超高分辨活細(xì)胞熒光-紅外-拉曼同步成像系統(tǒng)mIRage-LS,使紅外與拉曼和熒光成像分辨率相匹配,具備共定位能力,能讓研究者在無(wú)需標(biāo)記小分子、藥物、脂質(zhì)體、材料等物質(zhì)的情況下研究與特定蛋白、DNA的相互作用,并且能夠在液體環(huán)境下直接探測(cè)。

—END—

 作者 | 火石創(chuàng)造 廖義桃  審核 | 火石創(chuàng)造 廖義桃 殷莉


       原文標(biāo)題 : 年度盤點(diǎn):2022年全球十大熱門生物技術(shù)

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