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ABOVE: © The Scientist Staff
Wir kennen die alte Weisheit: Not macht erfinderisch. Nun, das Jahr 2020 hat uns gezeigt, dass eine globale Pandemie eine ernste Mutter ist. Normalerweise konzentriert sich unser Top-10-Innovationswettbewerb auf Labortechnologien, auf Werkzeuge, die dazu dienen, die Geheimnisse der biologischen Grundlagenforschung zu ergründen. Doch als sich die Biologen dem Verständnis von SARS-CoV-2 zuwandten, änderte sich die Innovationslandschaft entsprechend, und es wurden neue Instrumente entwickelt und bestehende Technologien zur Bekämpfung der Pandemie angepasst. In diesem Jahr befasst sich The Scientist in seinem jährlichen Wettbewerb mit Erfindungen, die darauf abzielen, das COVID-19-Problem zu verstehen und letztendlich zu lösen.
Zu den von unserer unabhängigen Jury ausgewählten Top-10-Innovationen des Jahres 2020 gehörten Kerntechnologien für das Labor – wie ein Einzelzell-Proteomanalysegerät und ein Desktop-Gensynthesizer – sowie auf die Pandemie ausgerichtete Produkte, darunter ein COVID-19-Schnelltest, ein Gerät zur Erfassung von Antikörperprofilen aus dem Blutplasma von rekonvaleszenten Coronavirus-Patienten und eine Plattform zur Charakterisierung von Glykanen im Spike-Protein, das die Oberfläche von SARS-CoV-2 ziert. Die Konkurrenz unter den herausragenden Einreichungen war so groß, dass die diesjährige Top 10 dank einiger Gleichstände sogar 12 Produkte umfasst.
So herausfordernd das Jahr 2020 für uns alle auch war, so hat dieses turbulente Jahr doch vielversprechende Produkte und Ansätze hervorgebracht, die die komplexe Welt der Biologie erhellen. Und mehr noch, 2020 hat gezeigt, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft, wenn sie mit einem gemeinsamen Problem konfrontiert ist, die Herausforderung annehmen und zusammenkommen kann, um sich neu zu orientieren, zu forschen und zu innovieren. Hier stellt The Scientist die Werkzeuge und Technologien vor, die in diesem Jahr zu den Top 10 der Innovationen gehören.
Ende März veranstaltete das Biotech-Unternehmen AbCellera eine Telefonkonferenz mit 40 Forschern, um die Daten zu prüfen, die sie über potenzielle Antikörper gegen SARS-CoV-2 gesammelt hatten. Mit Hilfe der Hochdurchsatz-Mikrofluidik und der Einzelzellanalyse von AbCellera hatte das Team des Unternehmens Proben von COVID-19-Patienten untersucht und die genetischen Sequenzen entschlüsselt, die für Hunderte von Antikörpern kodieren, die zur Behandlung der Krankheit geeignet sind. Die manuelle Durchsicht all dieser Daten war jedoch mühsam, so dass das Team sie in Celium einspeiste, ein Datenvisualisierungstool, das mehr als eine Million qualitativ hochwertiger Datenpunkte für diese Antikörper überschneidet, um herauszufinden, welche von ihnen bei Patienten als potenzielle Therapie am besten wirken könnten. Die Forscher nutzten Celium in Echtzeit, um diese Beziehungen zu untersuchen und den Antikörper LY-CoV555 ausfindig zu machen, der Monate später als mögliche COVID-19-Behandlung in die klinische Erprobung ging, sagt Maia Smith, Leiterin der Datenvisualisierung bei AbCellera und Entwicklerin von Celium. „Ich denke, das sagt alles.“
Bevor Celium 2017 auf den Markt kam, erhielten Wissenschaftler, die mit AbCellera zusammenarbeiteten, um Antikörper zu finden, komplexe Datentabellen zurück, die schwer zu navigieren waren, und es war schwer zu wissen, wo man anfangen sollte, sagt Smith. Mit Celium werden die Daten in einem visuellen Format dargestellt und das Tool „hilft Ihnen, das richtige Molekül für Ihre Bedürfnisse zu finden“, erklärt Fernando Corrêa, ein Proteiningenieur bei Kodiak Sciences in Palo Alto, Kalifornien, gegenüber The Scientist. Er arbeitet mit AbCellera zusammen, um Antikörper zur Behandlung von Netzhauterkrankungen zu identifizieren, und sagt, dass das Paket des Unternehmens aus Mikrofluidik, Einzelzellanalyse und Datenvisualisierung „den Prozess der Antikörperentdeckung auf benutzerfreundliche Weise rationalisiert“
KAMDAR: „Die Reaktion von AbCellera auf die Pandemie unterstreicht die wahre Stärke der Celium-Plattform an der Schnittstelle von Biologie und KI, um neue Antikörperentdeckungen in rasender Geschwindigkeit zu machen.“
Abbott ID NOW COVID-19 Test
Seit 2014, Das ID NOW-System von Abbott hat Ärzten dabei geholfen, Influenza A und B, Streptokokken A, Respiratorische Synzytialviren (RSV) und seit kurzem auch SARS-CoV-2 in weniger als 15 Minuten zu erkennen. Das toastergroße Gerät funktioniert durch Erhitzen von Nasenproben in einer sauren Lösung, die die Hülle der Viren aufbricht und ihre RNA freilegt, die ID NOW bei einer konstanten Temperatur anstelle der Erhitzungs- und Abkühlungszyklen, die PCR-Geräte verwenden, amplifiziert. Der COVID-19 ID NOW-Test wurde Ende März von der US Food and Drug Administration als Notfalltest zugelassen und war damit einer der ersten Tests, die der US-Öffentlichkeit zugänglich waren.
Norman Moore, Abbotts Direktor für wissenschaftliche Angelegenheiten im Bereich Infektionskrankheiten, sagt, die kurze Durchlaufzeit des Tests sei entscheidend, um die Ausbreitung von Viren zu stoppen. „Wenn wir das Ergebnis nicht rechtzeitig haben, was hilft es dann, wenn ein Molekulartest zwei Wochen später zurückkommt?“, sagt er gegenüber The Scientist.
Mit mehr als 23.000 ID NOW-Geräten, die in den USA hauptsächlich in Notfallkliniken und Apotheken eingesetzt werden, entwickelt sein Team laut Moore Tests, die mit der Plattform für andere Infektionskrankheiten, wie etwa sexuell übertragbare Infektionen, kompatibel sind.
J.D. Zipkin, Chief Medical Officer von GoHealth Urgent Care, das sich mit dem San Francisco International Airport zusammengetan hat, um Reisenden den ID NOW COVID-19-Test zu verabreichen, bezeichnet den Test als „game changer“. „Wir haben eine Plattform genommen, die bereits sehr gut bei der Erkennung sehr spezifischer Krankheitszustände ist, und sie auf den größten Pandemiebedarf angewandt, den wir in diesem Land haben“, sagt er.
Die ID NOW-Plattform kostet 4.500 Dollar und jeder COVID-19-Test kostet 40 Dollar.
CRUICKSHANK-QUINN: „Die Möglichkeit, COVID-19-Testergebnisse aus einem Rachen- oder Nasenabstrich in weniger als 15 Minuten zu erhalten, bietet Krankenhäusern, Schulen oder anderen Einrichtungen die Möglichkeit, Personen schnell zu testen, um festzustellen, wer sich zu Hause selbst isolieren muss. Da er leicht und tragbar ist, kann er vor Ort und an mobilen Standorten wie Drive-Thru-Teststellen eingesetzt werden.“
BioLegend TotalSeq™-C Human Universal Cocktail v1.0
Im Jahr 2017 veröffentlichten Forscher des New York Genome Center einen neuen Ansatz namens CITE-seq, der es Wissenschaftlern ermöglicht, Proteine in einzelnen Zellen zu bewerten, während sie gleichzeitig Einzelzell-Transkriptomik betreiben. CITE-seq funktioniert durch die Verknüpfung von Antikörpern mit Oligonukleotiden, die schließlich sequenziert werden können, um festzustellen, ob Zielproteine vorhanden und mit den entsprechenden Antikörpern verbunden sind. Das Biowissenschaftsunternehmen BioLegend lizenzierte CITE-seq und entwickelte den TotalSeqTM-C Human Universal Cocktail v1.0, eine Sammlung von 130 oligogebundenen Antikörpern für ein massives Screening der Zelloberflächenproteine einzelner Zellen, zur Verwendung auf einer Einzelzell-Sequenzierungsplattform von 10X Genomics.
Im Gegensatz zu Proteomics-Ansätzen, die auf der visuellen Bewertung von markierten Proteinen basieren, „gibt es keine theoretische Grenze mehr, wie viele Proteine man untersuchen kann“, sagt Kristopher „Kit“ Nazor, Leiter der Proteogenomics-Abteilung von BioLegend, und fügt hinzu, dass das Unternehmen bereits daran arbeitet, die Anzahl der im Cocktail enthaltenen Antikörper zu erweitern. „
„Das ist in vielerlei Hinsicht bahnbrechend“, sagt die Immunologin und Genomikerin Alexandra-Chloé Villani vom Massachusetts General Hospital, der Harvard Medical School und dem Broad Institute von MIT und Harvard University. Wie viele andere Forscher auch, hat sich Villani, die zu den Koordinatoren des Immunzellsegments des Human Cell Atlas gehört, in diesem Jahr auf die Untersuchung von COVID-19 konzentriert. Sie hat den Cocktail von BioLegend, der Anfang August zu einem Preis von 5.350 $ für fünf Einwegfläschchen auf den Markt kam, bereits zur Analyse von Blutproben von fast 300 Patienten verwendet, die positiv auf SARS-CoV-2 getestet wurden.
„Wenn man Oberflächenprotein und RNA in derselben Zelle hat, hilft uns das wirklich, eine genauere Definition der Immunzellen zu erhalten, die an der Reaktion auf die Infektion beteiligt sind“, sagt Villani. „Ich kenne viele Kollegen in den Vereinigten Staaten und Europa, die dasselbe Panel zur Analyse ihrer COVID-Kohorten verwendet haben … das bedeutet, dass wir alle unsere Daten kombinieren und vergleichen können. Und das ist unglaublich.“
MEAGHER: „Dies ist eine wirklich schöne Verschmelzung von Next-Gen-Sequenzierung als digitales Auslesen von Sequenz-Barcodes und Einzelzell-Barcoding-Technologie, um quantitative Einzelzell-Proteomik zu ermöglichen.“
Seven Bridges GRAF™
Die Veröffentlichung des menschlichen Referenzgenoms im Jahr 2013 war ein enormer Fortschritt für die Biologie, aber was die tatsächliche Repräsentativität für die Menschheit anbelangt, war sie ziemlich unzureichend. Unsere Genome sind voll von Varianten, die im Referenzgenom nicht vorhanden sind, das aus einer kleinen Stichprobe von Individuen vor allem europäischer Abstammung erstellt wurde. Um der menschlichen genetischen Vielfalt Rechnung zu tragen, hat das Bioinformatikunternehmen Seven Bridges eine Genomanalyseplattform namens GRAF entwickelt, die versucht, alle möglichen Iterationen genetischer Sequenzen an einem bestimmten Ort zu erfassen. Die sich daraus ergebende GRAF/Pan-Genom-Referenz ist ein Diagramm der bekannten Varianten an bestimmten Stellen im Genom und nicht eine lineare Referenzsequenz. Wenn Genome an der GRAF-Referenz ausgerichtet werden, werden daher keine Deletionen, Insertionen, Einzelnukleotid-Polymorphismen oder andere Variationen übersehen, wie es bei einer Ausrichtung am linearen Referenzgenom der Fall sein könnte.
Mit dem Ziel, die Präsenz unterrepräsentierter Gruppen in der Genomforschung zu erhöhen, kündigte Seven Bridges im Juni an, dass akademischen Forschern der Zugang zu seinem GRAF Germline Variant Detection Workflow und der GRAF/Pan Genome Reference kostenlos zur Verfügung stehen wird. „Dies ist der erste produktionsreife Workflow, der Informationen über die Abstammung und die Vielfalt des menschlichen Genoms einbezieht, um verbesserte Variantenaufrufe und -abgleiche zu ermöglichen“, sagt Brandi Davis-Dusenbery, Chief Scientific Officer des Unternehmens.
„Die Hoffnung ist, dass man durch die Berücksichtigung dieser Komplexität in der Analyse Dinge sieht, die man bisher übersehen hat“, sagt Bruce Gelb, Direktor des Mindich Child Health and Development Institute an der Icahn School of Medicine am Mt. Sinai. „Diese Idee kursiert schon seit einigen Jahren, aber vor Seven Bridges hat noch niemand einen praktikablen grafikbasierten Ansatz umgesetzt. Sie sind die ersten, die das tun.“
Gelb verwendet die GRAF-Plattform, um nach Varianten zu suchen, die mit angeborenen Herzfehlern in Verbindung stehen, und vergleicht diese Varianten mit denen, die bei herkömmlichen Sequenzanalysen auftauchen. Bisher, so sagt er, hat es den Anschein, dass GRAF einige Varianten identifiziert, die sonst übersehen worden wären.
CRUICKSHANK-QUINN: „Die Tatsache, dass Seven Bridges GRAF akademischen Einrichtungen frei zur Verfügung gestellt wird, wird sicherlich den Weg zur Präzisionsmedizin ebnen, indem es Forschungsfortschritte in unterrepräsentierten Bevölkerungsgruppen ermöglicht, ohne dass akademische Forscher mit den Kosten kämpfen müssen.“
OXGENE TESSA
Eine zentrale Herausforderung bei der Bereitstellung von Gentherapien für die Zellen von Patienten sind die Kosten für die Herstellung von Adeno-assoziierten Viren (AAV), einem gängigen Vektor für interessante Gene, sagt Ryan Cawood, CEO des britischen Biotech-Unternehmens OXGENE. „Das erste AAV-Gentherapieprodukt, das in der EU zugelassen wurde, kostete eine Million Pfund pro Dosis“, sagt er. „Wenn man eine Krankheit behandeln wollte, die man bei Tausenden von Menschen anwenden könnte, könnte man einfach nicht genug davon zu einem Preis herstellen, der es rentabel macht.“
Gegenwärtig, so Cawood, werden Chargen kultivierter menschlicher Zellen mit mehreren Plasmiden transfiziert, um sie zur Herstellung von AAV-Vektoren zu veranlassen, die ein ausgewähltes Gen enthalten. Doch die Plasmide sind teuer in der Herstellung, und der Transfektionsprozess ist nicht sehr effizient. Im Gegensatz dazu veranlasst die Infektion mit Adenoviren die Zellen auf natürliche Weise, die Replikation von AAVs zu aktivieren. Das Problem ist, dass sich die Adenoviren auch selbst replizieren und das resultierende AAV-Produkt verunreinigen. Um dieses Problem zu umgehen, hat OXGENE einen genetischen Schalter entwickelt, der die Aktivität eines Adenovirus auf halber Strecke seines Lebenszyklus in einer Zelle ausschaltet, so dass die Zelle zwar AAV-Partikel produziert, aber kein Adenovirus. „Wenn das Virus hineingeht, kommt nur noch AAV heraus, aber kein Adenovirus mehr“, sagt Cawood. Das Unternehmen begann im September mit dem Verkauf seines für die Forschung geeigneten viralen Vektors, den es TESSA nennt, und plant, im nächsten Jahr Material in klinischer Qualität anzubieten. Die Kosten für den Forschungsvektor beginnen bei 5.000 £ und hängen von der Größe der zu infizierenden Zellcharge ab.
BLAINEY: „Unterstützt die Umsetzung von Gentherapien. Zeigt den biotechnischen Wert der Biotechnologie.“
Codex DNA BioXp™ 3250 System
Das Biotech-Unternehmen Codex DNA brachte das BioXp™ 3250 System im August 2020 als Nachfolger des 2014 vorgestellten BioXp™ 3200 auf den Markt. Die automatisierte Plattform für die On-Demand-DNA-Assemblierung und -Amplifikation ermöglicht es Forschern, Gene und Genome schneller als je zuvor zu synthetisieren, was die Entwicklung von Impfstoffen, Diagnostika und Therapien beschleunigen könnte, so Peter Duncan, Leiter des Produktmanagements bei Codex DNA. Das Gerät kann für Krebszellen oder eine Vielzahl von Infektionserregern, einschließlich SARS-CoV-2, verwendet werden.
Ohne den BioXp™ 3250 oder sein Vorgängermodell müssen Labore, die DNA-Fragmente, Klone oder ganze Genome synthetisieren wollen, ihre Proben zur Bearbeitung an Dritte schicken. Abgesehen von den Transportkosten kann eine solche Bearbeitung Wochen oder Monate dauern. Mit dem BioXp™ 3250, dessen Preis bei 100.000 Dollar liegt, können DNA-Sequenzen mit einer Länge von bis zu 7.000 Basenpaaren innerhalb weniger Tage auf Knopfdruck zusammengestellt werden.
Anstatt genetische Skripte für bestimmte Experimente auf einem Computer codieren zu müssen, können Kunden ein Modul bestellen, das innerhalb von zwei Tagen einsatzbereit ist. Das Modul ist mit einem Barcode versehen, der alle notwendigen Informationen enthält; wenn das Gerät ihn scannt, werden die Anweisungen für die Synthese der gewünschten DNA hochgeladen. Ein Labortechniker muss lediglich das Modul in das Gerät einsetzen und auf Start drücken, sagt Duncan.
„Mit dem BioXp können wir einfache Subklonierungsschritte freihändig durchführen“, erklärt Mark Tornetta, VP of Biologics Discovery bei Tavotek Biotherapeutics, in einer E-Mail an The Scientist und beschreibt, wie das Labor das Gerät zur Erstellung von NGS-Bibliotheken verwendet. „Alle diese Methoden auf dem BioXP sparen uns Zeit und Kosten bei der Durchführung.“
BLAINEY: „Demokratisierung der Gensynthese durch die Bereitstellung von Kapazitäten in einzelnen Labors für schnellere Durchlaufzeiten und niedrigere Kosten bei hohem Durchsatz.“
IsoPlexis Single-Cell Intracellular Proteome
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Die Single-Cell Intracellular Proteome Lösung von IsoPlexis entstand aus mehreren Labors am Caltech, Sie alle suchten nach besseren Möglichkeiten zur Überwachung von Protein-Protein-Interaktionen
in Krebszellen mit dem Ziel, gezielte Behandlungen zu entwickeln. Mit herkömmlichen Methoden wie Western Blot, Massenspektrometrie und Durchflusszytometrie können jeweils nur einige wenige Proteintypen verfolgt werden. Mit dem System von Isoplexis, das im Juli auf den Markt kam, können Forscher 30 oder mehr Proteinwege überwachen, wobei die Ergebnisse noch am selben Tag zur Verfügung stehen.
Mit der bisherigen Technologie wurde die Funktion der einzelnen Proteine anhand der Phosphorylierung ermittelt, ohne dass man wusste, wie sie zusammenarbeiten. Das Single-Cell Intracellular Proteome enthüllt die Funktion auf die gleiche Weise, ist aber auch in der Lage, den Kontext ganzer Proteinsignalwege zu liefern und aufzudecken, wie das Netzwerk als Ganzes funktioniert.
Das Verständnis des gesamten Netzwerks zellulärer Signalwege ermöglicht es den Forschern, die nachgelagerten Effekte von abnormen Zellen besser zu verstehen, sagt Sean Mackay, CEO und Mitbegründer von IsoPlexis. Bei Krebserkrankungen, fügt er hinzu, hilft dieser Ansatz, die Wirksamkeit gezielter Behandlungen wie Antikörpertherapien oder niedermolekularer Medikamente zu bewerten.
„Solche Signalwege definieren im Grunde, wie Zellen aktiviert werden, und das ist besonders wichtig bei Krebs, wo die aktivierte Phosphoprotein-Signalisierung nicht nur ein Kennzeichen von Krebs ist“, sagt James Heath, der das Caltech-Labor leitete, das die Technologie vor acht Jahren entwickelt hat, „sondern auch ein Hauptaugenmerk auf gezielte Inhibitoren ist.“
MEAGHER: „Die Single-Cell Intracellular Proteome Solution nutzt innovative Mikrofluidik, um das, was wie eine gut etablierte ELISA-Chemie aussieht, auf die Ebene einzelner Zellen zu verkleinern.“
GigaGen Surge
Wissenschaftler haben mit intravenöses Immunglobulin (IVIG) zur Behandlung immunschwacher oder immunsupprimierter Patienten und Rekonvaleszenzplasma zur Behandlung von Infektionskrankheiten. Und Plasma ist eine von vielen Behandlungen, die jetzt für COVID-19 versucht werden. Aber biologische Proben, die von Spendern entnommen werden, sind nicht die am meisten standardisierten Therapeutika. Die Surge-Plattform von GigaGen nutzt die Einzelzellsequenzierung, um Antikörperbibliotheken von Blutspendern zu „fangen und neu zu erstellen“. Um diese Bibliotheken zu erstellen, lässt das Unternehmen die Blutproben der Spender durch die Surge-Plattform laufen, um einzelne Antikörper produzierende B-Zellen in Mikrotröpfchen zu isolieren und die RNA zu extrahieren, die für die Antikörper kodiert. Aus diesen genetischen Sequenzen können sie eine „Blaupause des Immunsystems dieser Person erstellen“, sagt David Johnson, CEO von GigaGen.
Die Forscher des Unternehmens wählen dann einige dieser Antikörper aus, um sie in Säugetierzellen zu entwickeln, um eine rekombinante Antikörperbehandlung zu schaffen, von der sie sagen, dass sie viel wirksamer ist als Rekonvaleszenzplasma oder IVIG, basierend auf In-vitro-Experimenten und Tests in Tiermodellen. GigaGen plant derzeit nicht, Surge zu verkaufen, sondern nutzt die Plattform zur Entwicklung von Behandlungen für Krebserkrankungen, Immunschwächekrankheiten und seit kurzem auch für COVID-19. GigaGen hofft, Anfang 2021 mit der klinischen Erprobung der COVID-19-Behandlung beginnen zu können, bei der mehr als 12 500 Antikörper von 16 Spendern eingesetzt werden. Das Ziel von Surge ist es, „die Komplexität des Immunsystems zu entschlüsseln“, so Johnson, und dann Antikörperbehandlungen zu entwickeln, die die stärkste Reaktion hervorrufen.
Fred und Vicki Modell, die die Jeffrey Modell Foundation gründeten, nachdem ihr Sohn Jeffrey im Alter von 15 Jahren an Komplikationen einer primären Immunschwäche gestorben war, sagen, dass sie nach einer Alternative zu IVIG gesucht haben, das manchmal knapp ist und bei vielen Patienten zu Nebenwirkungen führen kann. „Das Projekt ist das größte Geschenk von allen – es gibt den Patienten Hoffnung“, sagt Fred Modell.
CRUICKSHANK-QUINN: „Durch die Kombination von Einzelzell-Emulsionströpfchen-Mikrofluidik-Technologie, Genomik und Proteinbibliotheken-Engineering könnte diese medikamentöse Antikörpertherapie, wenn sie erfolgreich ist, die COVID-19-Behandlung sowie die Behandlung vieler anderer Krankheiten revolutionieren.“
10X Genomics Chromium Single Cell Multiome ATAC + Gene Expression
Vor einigen Jahren, 10X Genomics einen Test, ATAC-seq, auf den Markt gebracht, um Regionen mit offenem Chromatin in einzelnen Zellen zu identifizieren; Das Produkt erhielt einen Platz in den Top 10 Innovationen 2019 von The Scientist. Laut Produktmarketingmanagerin Laura DeMare dauerte es nicht lange, bis die Kunden nach mehr verlangten, mit Rückmeldungen wie: „Das ist großartig, aber wir würden wirklich gerne die Genexpressionsinformationen und die ATAC-seq-Informationen in derselben Zelle erhalten.“ Im September brachte 10X Chromium Single Cell ATAC + Gene Expression auf den Markt, das sowohl epigenetische als auch Genexpressionsdaten aus einzelnen Zellkernen sammelt.
Die Plattform markiert mRNA und offene Chromatinfragmente aus jedem Zellkern mit DNA-Barcodes, erklärt DeMare, und die Nukleinsäuren werden dann amplifiziert und analysiert. „Man kann nun feststellen, welche regulatorischen Elemente im Genom Gene an- oder abschalten“, sagt sie. Die Kosten für die Reagenzien und den Mikrofluidik-Chip belaufen sich auf etwa 2 400 Dollar pro Reaktion.
Ansu Satpathy, ein Immunologe an der Stanford University School of Medicine und ehemaliger Postdoc des ATAC-seq-Entwicklers Howard Chang, erklärt gegenüber The Scientist, dass er den neuen Test verwendet, um die Auswirkungen epigenetischer Veränderungen im Zusammenhang mit der Erschöpfung von T-Zellen in Tumorproben von Krebspatienten zu untersuchen. Wenn T-Zellen erschöpft sind, sind sie weniger effektiv im Kampf gegen den Krebs, und „was wir jetzt mit der RNA- und ATAC-Methode machen, ist die Frage: Wie reguliert jeder dieser molekularen Schalter Gene, die zu diesem dysfunktionalen Ergebnis in der Zelle führen?“ sagt Satpathy.
KAMDAR: „Dieser Ansatz ermöglicht zum ersten Mal die gleichzeitige Erstellung von Profilen des Epigenoms und des Transkriptoms derselben einzelnen Zelle, was ein besseres Verständnis der Zellfunktionen ermöglicht.“
10X Genomics Visium Spatial Gene Expression Solution
In den letzten Jahren hat die Einzelzell-Transkriptomik eine Fülle von Informationen über die Genexpression in einzelnen Zellen und Zelltypen geliefert. Jetzt führt 10X Genomics die neuere Technologie der räumlichen Transkriptomik ein, die ganze Transkriptomdaten für nur eine oder wenige Zellen liefert und genau zeigt, wo in einer Gewebeprobe die Genexpression stattfindet. Die Visium Spatial Gene Expression Solution, die im Oktober 2019 auf den Markt kommt, exponiert 55-Mikrometer-Bereiche an 5.000 Stellen innerhalb einer Gewebeprobe mit mRNA-bindenden Oligonukleotiden und überlagert die resultierenden Genexpressionsdaten mit histologischen Bildern.
Die Technologie wurde von dem schwedischen Unternehmen Spatial Transcriptomics entwickelt und ursprünglich vermarktet, das 10X Genomics im Jahr 2018 übernahm. Anschließend entwickelte 10X das Produkt weiter, bevor es im vergangenen Jahr Visium auf den Markt brachte. Die Visium Spatial Gene Expression Solution, die für 1.000 US-Dollar pro Probe verkauft wird, hat kleinere und dichter gepackte Spots – und fünfmal mehr davon – als zum Zeitpunkt der Übernahme durch das Unternehmen, sagt Nikhil Rao, Leiter des strategischen Marketings für die räumliche Plattform bei 10X Genomics. Das erhöht die Auflösung, erklärt er. „Wir haben auch die Empfindlichkeit des Assays drastisch verbessert, so dass wir in der Lage sind, Zehntausende einzigartiger molekularer Identifikatoren pro Spot zu erfassen.“
Rao sagt, dass sich viele der Visium-Benutzer auf die Neurowissenschaften konzentrieren und zum Beispiel neurodegenerative Krankheiten untersuchen. Aber das Produkt wird auch in der Entwicklungsbiologie, Onkologie und Immunologie eingesetzt. Die Computerbiologin Elana Fertig von der Johns Hopkins University hat Visium eingesetzt, um zu verstehen, wie ein Krebsgeschwür einer Behandlung widerstehen kann. „Durch die räumlichen Informationen über diese Zellen kann man wirklich die molekularen Mechanismen herausfinden, bei denen sie direkt interagieren, weil man sehen kann, ob die Zellen physisch interagieren“, erklärt sie.
MEAGHER: „Dies ist eine weitere Grenze in der Biologie: nicht nur die Genexpression von einzelnen Zellen oder wenigen Zellen, sondern jetzt auch die Erfassung von Genexpressionsdaten mit räumlicher Auflösung auf der Ebene einiger weniger Zellen.“
Inscripta, Inc. Onyx™ Digital Genome Engineering Platform
Während die CRISPR-basierte Genom-Editierung zu einer weit verbreiteten Technik in Laboren auf der ganzen Welt geworden ist, gibt es Forschungsfragen, die ein Ausmaß an Nukleotid-Bastelei erfordern, das für einige Labore umständlich, wenn nicht gar unerschwinglich sein kann. Die Onyx™ Digital Genome Engineering Platform von Inscripta Inc. bietet eine Lösung: vollautomatische genomtechnische Bibliotheken mit Hunderttausenden von Einzeländerungen in mikrobiellen Genomen. Das Tischgerät, das im Oktober 2019 auf den Markt kommt und 347.000 US-Dollar kostet, ermöglicht es den Nutzern, die gewünschten Varianten in die DNA von E. coli-Bakterien und S. cerevisiae-Hefe einzupflanzen, und das Gerät erledigt den Rest.
Die Plattform vereint alles, von den Algorithmen zur Optimierung des Editierprozesses über die Mikrofluidik zur Handhabung der Zellen bis hin zu den Reagenzien selbst. „Biologen müssen sich nicht mehr um die technische Optimierung kümmern und können sich jetzt auf jedes beliebige Problem in der Biologie konzentrieren“, sagt Nandini Krishnamurthy, Vizepräsidentin für Anwendungsentwicklung bei Inscripta.
Shelley Copley, Molekularbiologin an der Universität von Colorado Boulder, ist eine der ersten Testerinnen von Onyx. Sie setzt es ein, um die Auswirkungen synonymer Mutationen, also solcher, die das resultierende Protein nicht verändern, auf die Fitness von E. coli zu untersuchen. „Der hohe Durchsatz ist entscheidend, um dies zu erreichen“, sagt sie. Anstatt zu versuchen, jede Mutation, die sie untersuchen möchte, einzeln zu entwickeln, kann Copley mit Onyx alle 50 000 Varianten erzeugen. Ihr Team kann dann direkt zu den Fitness-Tests übergehen. „Ich kenne keine andere Technologie, die das kann.“
KAMDAR: „CRISPR ist ein leistungsfähiges Werkzeug für die Bearbeitung von Genomen und ermöglicht funktionelle Bewertungen, die die Kausalität aufklären und unser Verständnis der Genombiologie verbessern können. Diese Ergebnisse lassen sich jedoch nur erzielen, wenn eine Reihe technischer und skalierbarer Herausforderungen bewältigt werden. Genau das ermöglicht die Onyx Digital Genome Engineering Platform.“
MOBILion SLIM
John McLean, ein bioanalytischer Chemiker an der Vanderbilt University, will genau wissen, was in einer Gaswolke enthalten ist, bis hin zum letzten Lipidmolekül einer verdampften Blut- oder Gewebeprobe. Seit Jahren setzt er die Massenspektrometrie ein, um die Verbindungen in einer Probe nach Gewicht zu katalogisieren. Manchmal können verschiedene Moleküle die gleiche Masse und die gleiche atomare Zusammensetzung haben, so dass es schwierig ist, sie zu unterscheiden. Bei der Ionenmobilitätstrennung werden Gasproben durch meterlange Röhren geleitet, um die Moleküle nach Form und Struktur zu unterscheiden und so das Massenproblem zu umgehen. Da die Technik jedoch schon vor Jahrzehnten entwickelt wurde, hat sie noch nicht die gleiche Auflösung wie die Massenspektrometrie erreicht. Um eine ähnliche Auflösung zu erreichen, bräuchte das Instrument zur Ionentrennung ein 13 Meter langes Rohr.
Die Herstellung eines linearen Rohrs dieser Länge ist aufgrund des begrenzten Platzes im Labor unpraktisch. Vor einigen Jahren begannen Richard Smith vom Pacific Northwest National Laboratory und seine Kollegen daher, über Möglichkeiten nachzudenken, wie man Ionen dazu bringen kann, um die Ecke zu gehen. Diese Diskussion führte zur Entwicklung von SLIM (Structures for Lossless Ion Manipulation) von MOBILion, einem Instrument mit einer 13 Meter langen Spur, die in Form von zwei Leiterplatten, die in eine 3 Meter lange Box passen, in Kurven geschnitten ist. SLIM „enthüllt das Unsichtbare“, sagt Laura Maxon, Leiterin der Geschäftsentwicklung und Unternehmensstrategie bei MOBILion, „ohne Zeitverlust“. Die erste Iteration von SLIM, die MOBILion im zweiten Quartal 2020 als Beta-Version für Early-Adopter-Kollaborateure bereitstellt, ist für Wissenschaftler in der pharmazeutischen oder klinischen Forschung in akademischen Umgebungen konzipiert. Der Preis sei wettbewerbsfähig mit bestehenden Technologien, und das Unternehmen plane, das Instrument für den Einsatz in der Klinik zu entwickeln, um Biomarker für Krankheiten zu identifizieren.
„Was wir heute von MOBILion über SLIM sehen, ist nur die Spitze des Eisbergs“, sagt McLean. „Es gibt eine Menge ungenutztes Potenzial … vom analytischen Standpunkt aus“, so dass „man wirklich große Fortschritte für diese Technologien erwarten sollte.“
BLAINEY: „Die ionenselektive Chromatographie ist von zentraler Bedeutung für die Biochemie. Eine schöne Integration von mikroelektronischer Technologie und Biotechnologie. „
Die Juroren
Paul Blainey
Assoziierter Professor für Biotechnik am MIT und Kernmitglied des Broad Institute des MIT und der Harvard University. Das Blainey-Labor integriert neue mikrofluidische, optische, molekulare und computergestützte Werkzeuge für Anwendungen in Biologie und Medizin. Der Schwerpunkt der Gruppe liegt auf quantitativen Einzelzell- und Einzelmolekül-Ansätzen, um Studien zu ermöglichen, die Daten generieren, die die Funktionsweise natürlicher und künstlicher biologischer Systeme in verschiedenen Maßstäben aufdecken können. Blainey hat die von 10X Genomics eingereichten Produkte aufgrund seiner finanziellen Verbindungen zu dem Unternehmen nicht in seine Bewertung einbezogen.
Charmion Cruickshank-Quinn
Application scientist at Agilent Technologies.Previously, she was a postdoctoral fellow at the University of Colorado Denver – Anschutz Medical Campus, a research fellow at National Jewish Health in Denver, and a graduate student at the State University of New York at Buffalo, where she worked in the instrument center.
Kim Kamdar
Managing partner at Domain Associates, a healthcare-focused venture fund creating and investing in biopharma, device, and diagnostic companies. She began her career as a scientist and pursued drug-discovery research at Novartis/Syngenta for nine years.
Robert Meagher
Principal member of Technical Staff at Sandia National Laboratories. Sein Hauptforschungsinteresse gilt der Entwicklung neuartiger Techniken und Geräte für die Nukleinsäureanalyse, insbesondere für Probleme im Zusammenhang mit Infektionskrankheiten, biologischer Verteidigung und mikrobiellen Gemeinschaften. In jüngster Zeit hat dies zu Ansätzen für eine vereinfachte molekulare Diagnostik für neu auftretende virale Krankheitserreger geführt, die für den Einsatz am Point-of-Need oder in Entwicklungsländern geeignet sind. Die Kommentare von Meagher geben seine professionelle Meinung wieder, stellen aber nicht unbedingt die Ansichten des US-Energieministeriums oder der US-Regierung dar.
Anmerkung der Redaktion: Die Juroren berücksichtigten Dutzende von Beiträgen, die von Unternehmen und Anwendern für eine Vielzahl von biowissenschaftlichen Produkten eingereicht wurden. Die Mitglieder der Jury wurden aufgrund ihrer Vertrautheit mit biowissenschaftlichen Werkzeugen und Technologien zur Teilnahme eingeladen. Mit Ausnahme von Paul Blainey, der finanzielle Beziehungen zu 10X Genomics unterhält und daher die Produkte dieser Firma in seiner Bewertung nicht berücksichtigt hat, haben die Jurymitglieder keine finanziellen Verbindungen zu den am Wettbewerb beteiligten Produkten oder Unternehmen. In dieser Ausgabe von The Scientist wurden alle Anzeigen, die von den in diesem Artikel genannten Gewinnern geschaltet wurden, gekauft, nachdem unsere unabhängige Jury die Gewinnerprodukte ausgewählt hatte, und hatten keinen Einfluss auf das Ergebnis des Wettbewerbs.