2018生命科學領域7大頂級技術

　　近日，The-Scientist雜誌公布了其評選出的2018年頂級技術突破。

　　「雙父親」小鼠、摧毀腫瘤的納米機器人、「AI化」的液體活檢、顛覆基因表達分析的革命性技術̷̷

　　這一年，科學家們，依然很「贊」!

　　1 突破哺乳動物同性生殖障礙，首次獲得孤雄小鼠

　　一隻健康的成年雙母親小鼠(bimaternal mouse)有了自己的後代;而雙父親小鼠(bipaternal)出生不久後便會死去。(圖片來源：LEYUN WANG)

　　同性生殖的現象在動物中並不罕見，例如在爬行類的蜥蜴、兩棲類的蛙以及多種魚類中，都有「孤雌生殖」現象：即不經過與雄性的交配，雌性個體即可生下後代。但與孤雌生殖對應的孤雄生殖則極其罕見，科學家們迄今只在一種斑馬魚中發現了孤雄生殖。

　　然而，對於高等哺乳動物來說，無論是孤雌生殖還是孤雄生殖都不存在。在爬行類和兩棲類動物中不存在、而在哺乳類動物中進化出來的印記基因(imprinted genes)被認為是阻礙哺乳動物同性生殖的重要因素。

圖片來源：Cell Stem Cell

　　今年10月，發表在Cell Stem Cell雜誌上的一項研究中，來自中國科學院的科學家們首次用兩隻雄性小鼠「生出了後代」，獲得了具有兩個父系基因組的孤雄小鼠。這些孤雄小鼠外觀正常，可以自主呼吸，但是都在出生後48小時內死亡。

　　而早在2015年，科學家們曾成功培育出「雙母親」小鼠，這些「孤雌小鼠」似乎生長正常，並且能生育後代。

　　研究人員認為，這項新成果證實，在最高等的哺乳動物中，孤雄生殖也有可能實現，但所有的孤雄小鼠均無法存活至成年，意味著相比孤雌生殖，孤雄生殖有著更多的障礙。

　　2 摧毀腫瘤的DNA納米機器人

　　DNA納米機器人運輸了一種切斷小鼠體內腫瘤血液供應的藥物(圖片來源：BAOQUAN DING AND HAO YAN)

　　藉助納米機器人將藥物精準輸送至腫瘤細胞，在定向殺死癌細胞的同時又不危及周圍健康組織是許多科學家的夢想。

　　今年2月，來自中國國家納米科學中心的科學家們報導了一種用DNA製成的納米機器人，這種機器人可在血液中「穿行」，找到腫瘤，釋放一種導致血液凝固，從而觸發小鼠體內癌細胞死亡的蛋白——凝血酶。

　　研究人員之所以採用DNA作為原料構建納米機器人，主要是基於DNA本身的生物相容性(biocompatible)與生物可降解性( biodegradable)。

　　實驗表明，這一新型納米機器人可精準定位並有效殺死腫瘤細胞，在多種小鼠腫瘤模型中取得了較好的結果。相關成果發表在Nature Biotechnology雜誌上。

圖片來源：Nature Biotechnology

　　3 液體活檢「AI化」

　　用於檢測血液中癌症DNA的機器學習算法有望為個性化癌症治療鋪平道路。(圖片來源：ISTOCK, VITANOVSKI)

　　「如何在癌症很早期時發現它」以及「如何為患者提供個性化的、動態的治療」是現代癌症醫學的兩大挑戰。為了找到解決方案，一些實驗室和生物技術公司開始轉向人工智慧，也就是AI。他們希望開發出能夠幫助破譯血液中微弱信號的機器學習算法。基於這些信號，科學家們可在早期識別癌症，也可以實時判斷患者是否對接受的治療有響應。

　　到目前為止，用於檢測血樣中微量腫瘤DNA的機器學習算法在臨床驗證研究中表現良好，但還沒有一種自主學習算法被批准用於臨床。通過直接從血液中尋找DNA、RNA和蛋白質的突變，這些技術在檢測和監測癌症方面有可能超越成像和組織活檢技術。

　　4 實驗動物的「救星」

　　基於軟體的化學篩選可以最大限度地減少動物實驗(圖片來源：ISTOCK, NIDERLANDER)

　　在世界範圍內，數以百萬計的動物被用於化合物的毒性測試。現在，毒理學家開發出了一款能夠準確預測這些試驗結果的軟體。該軟體預測動物實驗結果的準確率為87%，相比之下，重複實驗本身只在81%的情況下重現了原始結果。這一成果於今年7月發表在Toxicological Sciences雜誌上。作者們希望，該軟體能夠減少實驗動物的使用。

　　5 無人機的「大用途」

　　無人機使研究人員能夠比以往任何時候更容易收集大量的生物數據，且成本更低、解析度更高。(圖片來源：ROHAN CLARKE)

　　一些研究人員希望儘量減少實驗動物的使用，而另一些人則希望儘可能多地收集有關野生動物的信息。如果使用得當，無人機可能會是個「好幫手」。一些科學家正在利用無人機做這樣的事情，包括收集鯨魚的鼻涕、檢測整個海龜種群的大小和狀況等。

　　6 革命性技術，改寫視網膜細胞研究

　　超柔性網狀電極監測醒著的動物完好無損、功能正常的眼睛。(圖片來源：GEORGE RETSECK)

　　先前，為了記錄視網膜細胞的活動，研究人員往往需要將眼睛從動物身上摘除，解剖視網膜，然後把它平放在一組微電極上。這種處理下，視網膜細胞可以對光線做出幾小時的反應。

　　今年6月，哈佛大學納米技術專家Charles Lieber及其同事開發了一款新型網狀電極。這種超柔性網狀電極能夠留在活體動物的眼睛內，記錄視網膜細胞的活動長達數周。值得注意的是，網狀結構對視覺的影響很小，幾周後就會從視網膜上脫落。

　　加州大學伯克利分校的Marla Feller表示，這是一項「了不起的」創新。相關成果發表在頂級期刊Science雜誌上。

圖片來源：Science

　　7 邁向三維基因表達分析

圖片來源： GEORGE RETSECK　　

STARmap能夠同時分析完整的、體積大的樣本中的多個RNA。

　　特定類型或組織的細胞可能看起來相似，但行為卻不同。例如，在大腦中，相同亞型的神經元可能會根據它們的位置和連接扮演非常不同的角色。也就是說，當涉及到特定的細胞功能時，空間信息是絕對關鍵的。因此，研究人員正在開發一種能夠檢測組織切片中多個基因表達的工具。

　　由史丹福大學科學家開發的STARmap便是這類工具中的一種。STARmap涉及將組織樣本轉化為水凝膠，以更好地檢測揭示目標RNA位置的「條形碼」。研究小組利用該技術分析了多達28個基因同時在150微米的小鼠腦組織切片中的表達，以及1000多個基因同時在8微米的切片中的表達。這些分析揭示了興奮性和抑制性神經元亞型在大腦皮層上分布的差異。

　　瑞典卡羅林斯卡學院的分子系統生物學家Sten Linnarsson認為，STARmap是邁向真正三維基因表達分析的重要一步。相關成果也發表在Science雜誌上。

圖片來源：Science