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2014年世界科技发展回顾——生物 医学

来源:中国科技网-科技日报 作者:科技日报国际部 2015年01月03日 00:33
[导读] 遗传研究更深入掌控基因。脑科学研究记忆刺激技术帮助恢复记忆,发现大脑存在“意识开关”和“信息交换台”。使用新的MRI技术揭示了母体血液流动和胎儿通过胎盘交换的机理。

2014年世界科技发展回顾

科技日报国际部

生物 医学

美 国

遗传研究更深入掌控基因;细胞学攻克检测与治疗多项难题;脑科学研究记忆刺激技术帮助恢复记忆,发现大脑存在“意识开关”和“信息交换台”。

田学科(本报驻美国记者)遗传学方面,杜克大学绘制出综合酵母菌基因脆弱位点图,而脆弱位点所在区域正是DNA复制机变慢或停顿的地方,揭示了许多固体肿瘤中基因异常的源头;冷泉港实验室发现了除X、Y染色体以外的另一种决定性别的亚基因单位,失去它果蝇会变成雌雄双性体;斯克里普斯研究所利用RNA分子首次在试管中造出具有“交叉手性”的酶,即以原始RNA链为模板复制出原版本的镜像,也可以利用镜像复制出原始RNA链。

在细胞学领域,加州大学圣克鲁兹分校开发出一种机器人式的“纳米生物间谍”,能从单个活细胞内提取出样本进行RNA或DNA测序,而不会杀死细胞;该校旧金山分校不经过诱导多能干细胞转化环节将人类皮肤细胞转化为成熟的全功能肝细胞,移植到肝功能衰竭小鼠模型体内能自行蓬勃生长;索尔克研究所通过“间接谱系转化”法将人类皮肤细胞直接变成可移植白细胞。先进细胞技术公司使用与克隆“多利羊”类似的体细胞核转移技术,在实验室中首次用成人皮肤细胞克隆出干细胞;纽约干细胞基金会研究所首次用糖尿病患者的DNA克隆出与其DNA匹配的胰岛素分泌细胞;科学家还在实验室引导人类干细胞发育成“微型胃”,具有腺体结构还能容纳肠道菌。

在脑科学研究领域,国防部先进研究项目局(DARPA)计划开展一项为期4年的记忆刺激技术研究,开发记忆植入体放入脑中帮受伤士兵或老年痴呆症患者恢复记忆;DARPA还与威斯康辛大学麦迪逊分校合作,研发出探究人脑神经结构与功能之间联系的脑研究技术;华盛顿大学发现大脑存在“意识开关”,并用电击第一次关闭了人的意识;此外多家单位研究人员还发现,脑中一个特殊部位具有信息“交换台”功能,能引导来自外部和内部记忆中的信号;塔夫茨大学成功创建出三维脑状组织模型,功能和结构特征类似于大鼠脑组织,可用于研究脑功能,开发治疗脑功能障碍新疗法。

2014年诺贝尔化学奖得主埃里克·贝齐格的团队研发出一种新型光学显微镜,能以近实时速度拍摄活细胞活动的三维高清图,跟踪观察个体蛋白质运动、受精卵发育、细胞分裂时细胞骨架的生长和收缩。

在生物医药研究方面,波士顿大学与麻省总医院共同开发出人工胰腺设备,可与智能手机连接帮助患者调节血糖,有望让Ⅰ型糖尿病患者过上正常人的生活;国家卫生院开发出自体免疫疾病新疗法,可在动物体内诱导出免疫调节细胞,有望最终攻克自体免疫疾病;伊利诺伊大学找到天然抗生素乳酸链球菌的功能结构,有望带来上千种具有医用价值的类似分子;南卡罗莱纳州立大学发现了一种给抗生素“升级”的新方法,可制造“加强版”抗生素,能使青霉素重拾昔日风采,有效抑制超级细菌。

在艾滋病、癌症和埃博拉等重大疾病研究领域,科学家完全弄清楚了艾滋病病毒表面突起的结构及其与人体细胞融合前后的动态变化,这些突起是它感染人体细胞的关键;坦普尔大学用CRISPR/Cas9基因剪辑技术首次成功地从人类细胞中彻底清除了潜在HIV-1病毒,朝永久治愈艾滋病方向迈出了重要一步;加州大学旧金山分校借助基因编辑技术,用诱导多能干细胞(iPS细胞)培育出能对抗艾滋病病毒感染的白细胞,还可以培育成其他血细胞,有望成为功能性治愈艾滋病的新方法。

哈佛大学韦斯仿生工程研究所开发出治疗乳腺癌的新方法,无需手术、化疗或放疗,能在一定程度上逆转小鼠乳腺肿瘤癌变;耶鲁大学发现了一种由海洋细菌产生的物质lomaiviticin A能通过破坏DNA的方式杀灭癌细胞;其他研究人员还发现一种生活在土壤中的致病细菌能使实验狗体内肿瘤缩小,且不会侵袭周围健康的富氧组织。

在埃博拉病毒治疗药物和疫苗研发方面,多家生物制药公司已研制出多种治疗药物,但进入市场还有待进一步临床试验;埃博拉病毒疫苗人体临床一期试验获得成功,进入二期临床试验准备。

此外还有反面消息,科学家利用在野鸭中传播的流感基因片段,制造出与“西班牙流感”极相似的致命病毒,尽管研究人员认为这有助于应对下一场流感大流行,但该实验被一些人批评为“鲁莽”“疯狂”和“危险”。

英 国

对生物医学领域的投资依然保持高位。基因研究、干细胞研究等领域成果不断,疾病研究新成果有望造福人类。

刘海英(本报驻英国记者)在基因研究方面,科学家首次确认一个与智力有关的特定基因,该基因变异会影响到大脑皮质厚度,进而对智力造成影响,这一发现有助于科学家更好地理解某些智力障碍背后的生物机制;推出揭示人类遗传史细节的交互式地图,系统展示了过去4000年亚非欧及南美洲95个人类族群间的基因融合史,使人们看到重要历史事件对人类遗传历史的影响;通过观察健康细胞基因组的变异过程,重建单个细胞生命史。

在合成生物学方面,英科学家和国际同行一道历时7年,用计算机模拟出酵母菌16个染色体中最小的一个染色体,标志着合成生物学向前迈出了重要一步。

在干细胞研究方面,英美科学家首次利用多功能干细胞在实验室中培养出具有功能性渗透屏障的表皮组织,可作为测试药物和化妆品的廉价替代模型,开发皮肤疾病新疗法,并有望大量生产功能性人造表皮;剑桥大学科学家发现胚胎干细胞的细胞核具有挤压收缩、拉伸膨胀的特性,有望为制造人工拉胀性材料提供替代性方法。

在疾病研究领域,诺丁汉大学科学家揭示了干扰素在免疫反应中的作用,明确了不同类型的干扰素在对抗感染时的独特生物机制,为肝炎和癌症等疾病的治疗提供了新思路;研究人员操控单个蛋白实现了老年鼠的胸腺再造,首次实现哺乳动物活体器官再生,有望为免疫系统受损和胸腺发育相关的遗传病患者提供新疗法;英美联合开发的cAd3-ZEBOV埃博拉疫苗初步通过人体测试,安全性数据令人满意。

在人工授精技术方面国际领先的英国2月公布一项草案,就“一父两母”人工授精技术的具体操作规范展开公众咨询,使得“一父两母”技术逐渐接近实用,7月开始修改法律允许“线粒体DNA置换”,也许到2016年初,首位由“三合一”胚胎人工授精技术诞生的婴儿将出世。

加拿大

研发出埃博拉病毒抗体组合,绘制出迄今最大的人类蛋白互作图谱,开发出多项癌症检测和治疗方法,对人类基因专利有效性提出质疑。

冯卫东(本报驻加拿大记者)在埃博拉疫苗研究方面,加拿大公共卫生署与美国合作共享各自研制的单克隆抗体,通过试验选择了最优的抗体组合“ZMapp”,对恒河猴试验治愈率100%;基于ZMapp抗体的埃博拉疫苗在美展开一期人体临床试验;加拿大研发的VSV-ZEBOV埃博拉疫苗在瑞士日内瓦大学医院的一期临床试验暂停,因4名志愿者出现未预期的轻度关节疼痛,但该疫苗在美、加、德和加蓬展开的临床试验均正常进行。

加美合作绘制出迄今最大规模的人类基因组编码蛋白间直接相互作用的图谱,并预测出数十个与癌症相关的新基因。

麦吉尔大学发现在所有乳腺癌类型中,p66ShcA表达水平与上皮间质细胞转化基因的表达密切相关,可用作确定各种分子亚型乳腺癌预后的首选标记;此外他们还取得一项技术突破,可在类似人体条件下将长链DNA装载入调谐纳米成像室,并维持其结构不变,研究人员不用再花大量时间拼接整个基因组,使基因组分析更为简单高效,有望用于快速癌症诊断及各种产前诊断。多伦多玛嘉烈公主癌症研究中心开发出一种快速、高精度基因测试工具,可确定哪些前列腺癌患者只需手术或放疗等局部治疗即可康复,而另一些患者则需进一步使用化疗或激素疗法。

渥太华大学研究人员将活病毒与SMAC模拟物组合在一起,可放大杀伤肿瘤效果,消灭肿瘤的同时不会对周围健康组织造成伤害,克服了单一疗法局限;多伦多儿童医院以高能量聚焦式超音波(HIFU)无伤口切除法切除肿瘤,是北美首例以该种方式切除小儿骨样骨瘤的病例。

加美联合研究发现艾滋病病毒(HIV)感染可重塑精液中的细菌和免疫因子,精液细菌在局部炎症和病毒脱落中发挥着作用,或可成为降低HIV传播的靶标;多伦多大学鉴别出一种蛋白复合物,在癫痫和精神分裂症等疾病中扮演重要角色,以这些蛋白为靶标,有望开发更好的神经疾病疗法。

蒙特利尔大学免疫学和癌症研究所发现一种新分子UM171,可使单位脐带血中的干细胞数量增殖数倍,减少干细胞移植引起的并发症;多伦多西乃山医院将体细胞重编程,得到了一种新型小鼠多能干细胞,可分化成所有3种胚胎前体组织,用于生物学和医学研究实验更安全有效。

东安大略儿童医院向法庭提告,质疑人类基因专利的有效性,称这些专利在法律上站不住脚,阻碍了对患者的有效治疗,要求对涉及一种心脏病的基因测序和诊断方法的5项专利宣告无效。

德 国

在衰老研究、生物进化、遗传疾病基因分析、干细胞、脑和神经细胞的研究等方面取得诸多成就。

李山(本报驻德国记者)衰老生物学研究所发现通过药物可防止甚至“逆转”因衰老导致的睡眠质量下降;生物化学研究所发现了一种蛋白酶能砍下DNA-蛋白质交联的蛋白元件;发育生物学研究所深入了解了眼睛的进化,还揭示了斑马鱼蓝黄色相间条纹图案如何形成;植物分子生理学研究所发现,植物可以通过无性繁殖的方式把所有遗传物质转移到其他植物中;精神病学研究所发现108个与精神分裂症相关的遗传位点。

感染生物学研究所发现免疫系统识别病原体的一种全新方法,发现重复突变基因通过制造有毒蛋白引起神经退行性疾病;神经生物学研究所等发现,祖细胞表面上FLRT蛋白质可诱发驱避信号和引诱信号,“指导”锥体细胞的前体细胞到达它们的目的地;分子遗传学研究所等开发了一种名为“PhenIX”的方法,能安全快速地对遗传性疾病的基因分析和症状分析进行鉴定,另外还发现基因突变不会随机地发生在两套亲本染色体中。

波恩大学等发现晒伤不仅直接改变色素细胞的基因组,还间接通过周围组织中的炎症过程促成黑色素瘤形成;发现免疫细胞可转变为更多不同的形式;发现大脑额叶中负责信号传输的DRD2基因与健忘、注意力不集中有紧密联系;发现在细胞死亡以后其免疫成分依然保持活性,并且可以进入其他细胞继续为炎症反应提供支持;发现人的免疫传感系统在分子水平上对病毒发动了攻击;发现两种蛋白影响神经细胞的连接和传递到海马区的神经信号;确定了一些在先天免疫应答中发挥作用的遗传变异体。

其他研究机构的成果包括解开了阿尔茨海默氏病中Tau蛋白发挥作用的分子识别机制;为“蛋白质组数据库”中的18097个基因获得了蛋白证据;构建了一个具有生物力学功能的类细胞模型;揭示了导致抗生素红霉素耐药性的细菌核糖体变化;识别出骨髓增生异常综合症(MDS)的血癌干细胞;发现幼儿癫痫新致病基因;人工合成可抑制哮喘的单糖分子;分析了身体轴在脊椎动物早期胚胎中的形成;发现了肝脏的多项再生和抑制肿瘤生长机制;研发用病毒来杀死癌细胞的溶解疗法;发现干细胞治疗的潜在风险;揭示了负责细胞分裂的复合端粒酶的作用机理等。

此外,德国还参与完成了首个白蚁、甘蓝型油菜、长臂猿和古人类等的基因组测序和分析。

法 国

世界第二例永久性全人工心脏移植手术取得成功,举办欧洲最大生物实验室展会,开发埃博拉病毒小型快速检测仪。

李宏策(本报驻法国记者)世界第二例永久性全人工心脏移植手术取得成功,一名近70岁的男性患者植入由法国心血管专家研发的卡尔马人工心脏后,健康状况“非常好”。卡尔马人工心脏由生物材料制成,可避免人体免疫系统排异反应和凝血现象,并根据不同情况自动调节血压、血流速度以及心率。

原子能及可再生能源委员会开发出一种可快速检测埃博拉病毒的小型仪器,其外形和操作方法与快速验孕棒相似,15分钟内就能出结果;与意大利合作研发出快速检测埃博拉病毒的便携设备,灵敏度极高并能在早期甄别病毒,可在75分钟内测出血液样本中的埃博拉病毒。

第59届法国国际实验室、生物技术展在巴黎举办。法国生物制药公司ERYTECH由于开创“肿瘤饥饿法”疗法获欧洲生物工业协会颁发的2014年欧洲生物技术中小企业最具创新性奖。

俄罗斯

研究人类衰老机制取得进展,用干细胞生成牙组织,“迷你”人工智能研发迈出重要一步,埃博拉病毒疫苗进入动物试验,造出新型生物反应器。

亓科伟(本报驻俄罗斯记者)在基因技术领域,由俄美科学家组成的科研团队发现了DNA正确折叠的必要条件,有助于研究人类衰老机制,研制出转基因成分快速微型检测仪,可在较短时间内检测出食品中是否含有转基因成分;干细胞研究方面,研究人员用狗大网膜和皮下脂肪处的干细胞在实验狗的缺失牙齿部位形成了牙组织。

在“迷你”人工智能生物研发方面迈出了重要一步,制造出世界上首个虚拟生物—线虫,其神经细胞构成完全仿照现实生物体,能自主移动,并营造出适合线虫生存的水和土壤环境。

在埃博拉病毒研究方面也取得不错成绩,正在对埃博拉出血热病毒试验疫苗进行动物试验,很快就会进行人体测试;流感疫苗研制也取得突破,研制出治疗流感的新型裂解疫苗,利用病毒表面及核心蛋白生产而无需使用辅药,因而不会产生过敏性反应;五种万能流感疫苗已进入临床前研究阶段,预计4年内有望进入市场。

借助嗜热菌研制高效生物反应器,可直接产生热能而不是产生沼气之类的燃料,反应器内的温度可达60摄氏度。

韩 国

在生物医疗技术项目政策导向下,干扰素研发、动物基因信息研究和高精尖医疗机器人设计领域取得进展。

薛严(本报驻韩国记者)研发出基于透明质酸的丙型肝炎治疗干扰素,将世界流行的治疗丙肝药物利巴韦林直接作用于肝部,克服了以往的药物副作用,大大提高药效。

“秃鹫基因信息分析”项目取得成功,解开了秃鹫嗜食腐肉却不得病的原因。研究团队对两只活秃鹫血液进行DNA和RNA测序,分析基因序列探明20万只秃鹫的基因状况,得出秃鹫的免疫力主要与胃酸分泌和相关基因的特殊性有关。

利用机器人成功完成不开颅脑肿瘤手术试验。用一个直径4毫米可90度弯曲的机器人,通过鼻孔进入颅内手术。预计今后可广泛应用于脑部手术、脊椎手术等一般机器人无法完成的手术中,经临床试验后,预计三到五年可正式投入使用。

日 本

新型可视化技术成未来病理解析与解剖学有力工具,纳米机器实现光控递药,计算机读取脑信息控制下半身活动。

葛进(本报驻日本记者)日本理化研究所开发出一种新的可视技术,可将成体大鼠和小型灵长类的脑透明化,将基因活动和神经网络转化成三维数据进行观测;通过基因技术将实验大鼠的全身变透明,直接取得大鼠个体的基因活动及细胞网络构造的三维数据,可作为未来病理解析和解剖学的有力工具。

开发出一种可全身投放的纳米机器,能对被光照射的标的细胞选择性投入基因和药物进行治疗。

通过计算机读取脑发给手臂肌肉的信号,再通过该信号用磁力刺激腰髓,首次在不通过脊髓的情况下用自己的意志控制脚的运动。

开发出新型检测技术,通过半导体感应器10分钟内就能测出一滴血或尿液中所有成分,每次成本不到100日元。

理化研究所科学家在《自然》杂志发表论文称,用简单酸化方法能培育出可分化为多种细胞的新型“万能细胞”,名为“STAP细胞”,但论文被质疑造假,近50次重复实验均告失败,《自然》杂志也正式撤回了相关论文。

巴 西

向国际人类基因数据库提供的数据占世界第二,甘蔗、柑橘和甘蔗病害基因分析研究世界领先;生物技术应用飞速发展。

邓国庆(本报驻巴西记者)巴西大力实施基因组计划,在破译和绘制人类癌细胞基因图谱方面仅次于美国;成功从动物胚胎克隆牛;生物技术市场产值以每年超过30%的速率成长,其生物医药技术产品占国内市场份额达80%以上。

生物技术与生态农业是巴西农业发展的两大支柱。生物技术应用飞速发展,转基因技术领域棉花抗虫性、芸豆抗病毒性、大豆免施除草剂研究成果显著;转基因大豆、玉米、棉花等作物种植面积大幅度增长,产品贸易立法也已出台。

热带病的免疫研究和药物开发等领域成绩显著。圣保罗州坎皮纳斯市由英国牛津昆虫技术公司设立了第一个转基因雄蚊培育实验室,利用转基因技术控制登革热疫情的传播。经基因改造的雄蚊与野生雌蚊交配后,产生的后代不具有生育能力,且在成熟之前便会死亡,因此会减少整个蚊子种群的数量。这种方式不会对环境和人类造成危害,试验区蚊子数量下降了93%。

以色列

脑科学研究成绩斐然,治癌抗癌药物和治疗方法取得新进展,一批有关人类精神疾病、心脏病等疑难疾病的研究成果涌现。

冯志文(本报驻以色列记者)以色列理工学院开发出“试管脑组织”,用3D视图观察神经活动;开发出“药理特洛伊木马”以帮助开发对付耐药性癌细胞的方法;首次移植含有大血管的肌肉组织成功修复了严重受伤的腹部肌肉;发现给他汀类药物加入适量石榴汁可显著降低胆固醇水平,延迟心脏病或者中风;揭示动物进化秘密,回答了大多数动物胚胎细胞三层结构在进化中的顺序问题:内胚层首先进化,接着是外胚层,最后中胚层,这一发现有助于人类更好地了解癌症发病机理。

特拉维夫大学第一次发现了狂犬病导致大脑急性炎症的发病机理;揭示肾再生的确切细胞信号和肾生长的多层次特性;开发出新算法能预测过度表达的代谢基因对细胞的致命性,可指导代谢工程研究更好地生产新化学品。

海法大学发现老年痴呆症与脑特定蛋白质分子活跃程度之间的联系,能在不损害大脑认知情况下控制该分子,为改善人类记忆,治疗和延缓老年痴呆症找到新路;发现富含欧米伽-3不饱和脂肪酸的深海鱼油对戒除烟瘾具特殊效果。

研发出一种生物分子可减少患糖尿病的痴呆症患者的发病风险;初步揭示导致坏死性筋膜炎的发展机理,为找到可治疗和遏制这种潜在致命细菌的科学方法打开了大门;发现一种可导致抑郁症的新机理,为研发新型快捷抗抑郁药物提供了可能。

发现人类肠道细菌和生物钟之间能适当协调,可预防肥胖和葡萄糖耐受不良;发现肿瘤在夜间生长更快但激素能有效抑制癌细胞的扩散,采取与人体昼夜周期相结合的治疗措施能提高疗效;发现大脑可能衰老的信号,这种独特的信号是认知能力下降和老龄化之间“缺失一环”,这一发现有助于找到减缓或逆转老年人认知功能衰退;使用新的MRI技术揭示了母体血液流动和胎儿通过胎盘交换的机理。

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