Menu
ABOVE: © The Scientist Staff
Znamy stare powiedzenie: konieczność jest matką wynalazku. Cóż, rok 2020 pokazał nam, że globalna pandemia to poważna matka. Zazwyczaj nasz konkurs Top 10 Innovations skupia się na technologiach laboratoryjnych, narzędziach zaprojektowanych do zgłębiania tajemnic podstawowej biologii. Ale kiedy biolodzy skupili się na zrozumieniu SARS-CoV-2, krajobraz innowacji odpowiednio się zmienił – opracowano nowe narzędzia, a istniejące technologie naginano, aby stawić czoła pandemii. Dlatego w tym roku w The Scientist nasz coroczny konkurs obejmuje wynalazki mające na celu zrozumienie i ostateczne rozwiązanie problemu COVID-19.
Wśród wybranych przez naszych niezależnych sędziów 10 najlepszych innowacji 2020 r. znalazły się podstawowe technologie laboratoryjne, takie jak analizator proteomu pojedynczych komórek i biurkowy syntezator genów, a także produkty skoncentrowane na pandemii, w tym szybki test COVID-19, narzędzie do pobierania profili przeciwciał z osocza krwi rekonwalescentów zakażonych koronawirusem oraz platforma do charakteryzowania glikanów w białku spike, które znajduje się na powierzchni wirusa SARS-CoV-2. Konkurencja wśród gwiezdnych zgłoszeń była tak duża, że tegoroczna Top 10 zawiera 12 produktów, dzięki kilku remisom.
Jakkolwiek rok 2020 był dla nas wszystkich wyzwaniem, ten burzliwy rok dał początek obiecującym produktom i podejściom do objaśniania złożonego świata biologii. Co więcej, rok 2020 pokazał, że społeczność naukowa, w obliczu wspólnego problemu, może stanąć na wysokości zadania i zjednoczyć się w celu ponownego skoncentrowania się, prowadzenia badań i wprowadzania innowacji. W tym miejscu The Scientist przedstawia narzędzia i technologie, które składają się na tegoroczne Top 10 Innovations.
Pod koniec marca firma biotechnologiczna AbCellera zorganizowała spotkanie z 40 badaczami w celu dokonania przeglądu zebranych przez nich danych na temat potencjalnych przeciwciał przeciwko SARS-CoV-2. Wykorzystując wysokowydajną mikrofluidykę AbCellera i narzędzia analizy pojedynczych komórek do badania próbek pacjentów z wirusem COVID-19, zespół firmy rozszyfrował sekwencje genetyczne kodujące setki przeciwciał, które mogłyby leczyć tę chorobę. Ręczne przekopywanie się przez te wszystkie dane było jednak uciążliwe, więc zespół wprowadził je do Celium, narzędzia do wizualizacji danych, które przecina ponad milion wysokiej jakości punktów danych dla tych przeciwciał, aby ujawnić, które z nich mogą najlepiej działać u pacjentów jako potencjalna terapia. W czasie rzeczywistym, podczas rozmowy telefonicznej, badacze użyli Celium do zbadania tych zależności i namierzenia przeciwciała LY-CoV555, które kilka miesięcy później weszło do prób klinicznych jako potencjalna terapia COVID-19, mówi Maia Smith, szefowa działu wizualizacji danych w AbCellera i twórczyni Celium. „Myślę, że to w pewnym sensie mówi wszystko.”
Zanim Celium pojawiło się na rynku w 2017 roku, naukowcy współpracujący z AbCellera w celu znalezienia przeciwciał otrzymywaliby z powrotem złożone arkusze kalkulacyjne danych, które były trudne do nawigacji, i trudno było wiedzieć, od czego zacząć, mówi Smith. Korzystając z Celium, dane są prezentowane w formacie wizualnym, a narzędzie „pomaga zidentyfikować właściwą cząsteczkę dla twoich potrzeb” – mówi The Scientist Fernando Corrêa, inżynier ds. białek w Kodiak Sciences w Palo Alto w Kalifornii. Współpracuje on z AbCellera w celu zidentyfikowania przeciwciał do leczenia chorób siatkówki i twierdzi, że pakiet firmy obejmujący mikroprzepływy, analizę pojedynczych komórek i narzędzie do wizualizacji danych „usprawnia proces odkrywania przeciwciał w sposób przyjazny dla użytkownika.”
KAMDAR: „Odpowiedź AbCellera na pandemię podkreśla prawdziwą moc platformy Celium na przecięciu biologii i AI w celu dokonywania nowych odkryć przeciwciał w piorunującym tempie.”
Abbott ID NOW COVID-19 Test
Od 2014 r, system ID NOW firmy Abbott pomógł lekarzom wykryć grypę A i B, paciorkowca A, wirusa syncytialnego układu oddechowego (RSV), a ostatnio SARS-CoV-2, w czasie krótszym niż 15 minut. Urządzenie wielkości tostera działa poprzez podgrzewanie próbek z nosa w kwaśnym roztworze, który otwiera otoczkę wirusów, odsłaniając ich RNA, które ID NOW amplifikuje w stałej temperaturze, zamiast cykli podgrzewania i chłodzenia, które stosują maszyny PCR. Żywności i Leków pod koniec marca, test COVID-19 ID NOW był jednym z pierwszych testów dostępnych publicznie w Stanach Zjednoczonych.
Norman Moore, dyrektor ds. naukowych ds. chorób zakaźnych w firmie Abbott, twierdzi, że krótki czas wykonania testu ma kluczowe znaczenie dla powstrzymania rozprzestrzeniania się wirusów. „Jeśli nie mamy tego wyniku w odpowiednim czasie, co nam pomoże, jeśli test molekularny wróci dwa tygodnie później?” – mówi The Scientist.
Przy ponad 23 000 urządzeń ID NOW w użyciu w USA, głównie w klinikach i aptekach, Moore mówi, że jego zespół opracowuje testy kompatybilne z platformą dla innych chorób zakaźnych, takich jak infekcje przenoszone drogą płciową.
J.D. Zipkin, główny dyrektor medyczny GoHealth Urgent Care, które współpracuje z Międzynarodowym Portem Lotniczym San Francisco w celu podawania testu ID NOW COVID-19 podróżnym, nazywa test „game changer”. „Wziął platformę, która jest już naprawdę dobra w wykrywaniu bardzo specyficznych stanów chorobowych i zastosował ją do największej potrzeby pandemii, którą mamy w tym kraju,” mówi.
Platforma ID NOW kosztuje $4,500, a każdy test COVID-19 kosztuje $40.
CRUICKSHANK-QUINN: „Możliwość otrzymania wyników testu COVID-19 z gardła lub wymazu z nosa w mniej niż 15 minut może zapewnić szpitalom, szkołom lub innym instytucjom możliwość szybkiego testowania osób w celu określenia tych, które będą musiały poddać się samoizolacji w domu. Ponieważ jest lekki i przenośny, może być używany w terenie i w mobilnych miejscach, takich jak punkty testowe drive-thru.”
BioLegend TotalSeq™-C Human Universal Cocktail v1.0
W 2017 roku naukowcy z New York Genome Center opublikowali nowe podejście zwane CITE-seq, które pozwala naukowcom oceniać białka w poszczególnych komórkach w tym samym czasie, gdy wykonują transkryptomikę pojedynczych komórek. CITE-seq działa poprzez łączenie przeciwciał z oligonukleotydami, które ostatecznie mogą być sekwencjonowane, aby ujawnić, czy białka docelowe były obecne i połączone z odpowiadającymi im przeciwciałami. Firma BioLegend, zajmująca się naukami przyrodniczymi, udzieliła licencji na CITE-seq i opracowała TotalSeqTM-C Human Universal Cocktail v1.0, kolekcję 130 przeciwciał połączonych oligonuklidami do masowych badań przesiewowych białek powierzchni komórkowej pojedynczych komórek, do użytku na platformie sekwencjonowania pojedynczych komórek firmy 10X Genomics.
W przeciwieństwie do podejść proteomicznych opartych na wizualnej ocenie oznaczonych białek, „nie ma już teoretycznego ograniczenia co do tego, ile białek można ,” mówi szef działu proteogenomiki BioLegend Kristopher „Kit” Nazor, dodając, że firma już pracuje nad rozszerzeniem liczby przeciwciał zawartych w koktajlu. „To znacznie zwiększa możliwości bezstronnego odkrywania.”
„To przełomowe pod wieloma względami” – mówi immunolog i genomik Alexandra-Chloé Villani z Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School oraz Broad Institute of MIT i Harvard University. Podobnie jak wielu innych badaczy, Villani, która jest jednym z koordynatorów segmentu komórek odpornościowych w Human Cell Atlas, zajęła się w tym roku badaniem COVID-19. Użyła już koktajlu firmy BioLegend, wprowadzonego na rynek na początku sierpnia w cenie 5 350 dolarów za pięć fiolek jednorazowego użytku, do analizy próbek krwi od prawie 300 pacjentów, u których stwierdzono pozytywny wynik testu na obecność wirusa SARS-CoV-2.
„Kiedy masz białko powierzchniowe i RNA w tej samej komórce, to naprawdę pomaga nam uzyskać bardziej ziarnistą definicję komórek odpornościowych zaangażowanych” w odpowiedzi na infekcję, mówi Villani. „Znam wielu kolegów w Stanach Zjednoczonych i Europie, którzy użyli tego samego panelu do analizy swoich kohort COVID, co oznacza, że będziemy mogli połączyć wszystkie nasze dane i porównać je. I to jest niesamowite.”
MEAGHER: „To jest naprawdę ładne połączenie sekwencjonowania next-gen jako odczytu cyfrowego dla kodów kreskowych sekwencji i technologii kodowania pojedynczych komórek, aby umożliwić proteomikę ilościową pojedynczych komórek.”
Siedem mostów GRAF™
Uwolnienie ludzkiego genomu referencyjnego w 2013 roku było ogromnym skokiem naprzód dla biologii, ale jeśli chodzi o rzeczywiste reprezentowanie ludzkości, wypadło dość słabo. Nasze genomy są pełne wariantów nieobecnych w genomie referencyjnym, który został zbudowany z małej próbki osób, głównie pochodzenia europejskiego. Aby uwzględnić ludzką różnorodność genetyczną, firma bioinformatyczna Seven Bridges opracowała platformę analizy genomowej o nazwie GRAF, która stara się uwzględnić wszystkie możliwe iteracje sekwencji genetycznych w danym locus. Wynikiem GRAF/Pan Genome Reference jest graf znanych wariantów w poszczególnych punktach genomu, a nie liniowa sekwencja referencyjna. Gdy genom jest wyrównany do referencji GRAF, wszelkie delecje, insercje, polimorfizmy pojedynczych nukleotydów lub inne zmiany nie są pomijane, jak mogłoby to mieć miejsce w przypadku wyrównania do liniowego genomu referencyjnego.
Mając na celu zwiększenie obecności grup niedostatecznie reprezentowanych w badaniach genomicznych, firma Seven Bridges ogłosiła w czerwcu, że dostęp do jej systemu GRAF Germline Variant Detection Workflow i GRAF/Pan Genome Reference będzie bezpłatny dla badaczy akademickich. „Jest to pierwsze rozwiązanie klasy produkcyjnej, które uwzględnia informacje o przodkach i różnorodności ludzkiego genomu w celu zapewnienia lepszej identyfikacji i dopasowania wariantów” – mówi dyrektor naukowy firmy, Brandi Davis-Dusenbery.
„Mamy nadzieję, że dzięki uwzględnieniu tej złożoności w analizie, dostrzeżemy rzeczy, które nam umykały” – mówi Bruce Gelb, dyrektor Mindich Child Health and Development Institute w Icahn School of Medicine w Mt. Sinai. „Ten pomysł krążył od kilku lat, ale nikt przed tym, co robi Seven Bridges, nie wdrożył praktycznego podejścia opartego na wykresach. Oni są pierwszymi, którzy to zrobili.”
Gelb używa platformy GRAF do wyszukiwania wariantów związanych z wrodzonymi wadami serca i porównuje te warianty z tym, co pojawia się, gdy używa tradycyjnych analiz sekwencji. Jak dotąd, jak twierdzi, wydaje się, że GRAF identyfikuje pewne warianty, które w przeciwnym razie zostałyby przeoczone.
CRUICKSHANK-QUINN: „Fakt, że Seven Bridges GRAF jest swobodnie dostępny dla instytucji akademickich z pewnością utoruje drogę w kierunku medycyny precyzyjnej poprzez umożliwienie postępu badań w niedostatecznie reprezentowanych populacjach bez konieczności ponoszenia kosztów przez badaczy akademickich.”
OXGENE TESSA
Centralnym wyzwaniem związanym z dostarczaniem terapii genowych do komórek pacjentów jest koszt wytworzenia wirusa adeno-asocjowanego (AAV), wspólnego wektora dla interesujących nas genów, mówi Ryan Cawood, dyrektor generalny brytyjskiej firmy biotechnologicznej OXGENE. „Pierwszy produkt terapii genowej AAV, który został zatwierdzony w UE, kosztował milion funtów za dawkę” – mówi. „Jeśli chciałbyś leczyć chorobę, którą mógłbyś zastosować u tysięcy ludzi, po prostu nie mógłbyś wyprodukować wystarczającej ilości tego produktu po kosztach, które uczyniłyby go opłacalnym.”
Obecnie, mówi Cawood, partie hodowanych komórek ludzkich są poddawane transfekcji wieloma plazmidami, aby pobudzić je do wytwarzania wektorów AAV zawierających wybrany gen. Ale plazmidy są drogie w produkcji, a proces transfekcji nie jest zbyt wydajny. Dla kontrastu, infekcja adenowirusami naturalnie indukuje komórki do aktywacji replikacji AAV. Problem polega na tym, że adenowirusy również się replikują i zanieczyszczają otrzymany produkt AAV. Aby obejść ten problem, firma OXGENE opracowała przełącznik genetyczny, który wyłącza aktywność adenowirusa w połowie jego cyklu życiowego w komórce, tak aby zaprogramować komórkę na produkowanie cząsteczek AAV, ale nie na wytwarzanie adenowirusa. „Kiedy wirus wchodzi do komórki, wychodzi z niej tylko AAV; adenowirus nie wraca już z powrotem” – mówi Cawood. Firma rozpoczęła sprzedaż swojego wektora wirusowego klasy badawczej, który nazywa TESSA, we wrześniu i planuje rozpocząć oferowanie materiału klasy klinicznej w przyszłym roku, dodaje. Koszt wektora klasy badawczej zaczyna się od 5 000 funtów i zależy od wielkości partii komórek, które mają zostać zainfekowane.
BLAINEY: „Wspiera wdrażanie terapii genowych. Demonstruje wartość biotechniczną inżynierii biologicznej.”
System Codex DNA BioXp™ 3250
Firma biotechnologiczna Codex DNA wypuściła system BioXp™ 3250 w sierpniu 2020 roku jako kontynuację BioXp™ 3200, wydanego w 2014 roku. Zautomatyzowana platforma do montażu i amplifikacji DNA na żądanie pozwala naukowcom syntetyzować geny i genomy szybciej niż kiedykolwiek, z potencjałem przyspieszenia rozwoju szczepionek, diagnostyki i leczenia, mówi Peter Duncan, dyrektor ds. zarządzania produktem w Codex DNA. Urządzenie może być stosowane na komórkach nowotworowych lub różnych czynnikach zakaźnych, w tym SARS-CoV-2.
Bez BioXp™ 3250 lub jego poprzednika, laboratoria, które chcą syntetyzować fragmenty DNA, klony lub całe genomy muszą wysyłać próbki do przetworzenia przez stronę trzecią. Poza koniecznością radzenia sobie z tranzytem, takie przetwarzanie może trwać tygodnie lub miesiące. Dzięki BioXp™ 3250, którego cena wynosi 100 000 dolarów, sekwencje DNA o długości do 7000 par zasad mogą być składane w ciągu kilku dni, po naciśnięciu przycisku.
Zamiast kodować na komputerze skrypty genetyczne do konkretnych eksperymentów, klienci mogą zamówić moduł, który przychodzi w ciągu około dwóch dni, gotowy do pracy. Moduł posiada kod kreskowy zawierający wszystkie niezbędne informacje; po zeskanowaniu przez urządzenie, wgrywane są instrukcje dotyczące syntezy pożądanego DNA. Technik laboratoryjny musi jedynie włożyć moduł do urządzenia i nacisnąć przycisk start, mówi Duncan.
„BioXp umożliwił nam wykonywanie prostych kroków subklonowania bez użycia rąk”, mówi Mark Tornetta, wiceprezes ds. odkryć biologicznych w Tavotek Biotherapeutics, opisując w e-mailu, w jaki sposób laboratorium wykorzystuje urządzenie do generowania bibliotek NGS. „Wszystkie te metody wykonywane na BioXP oszczędzają nam czas i koszty.”
BLAINEY: „Demokratyzacja syntezy genów poprzez umieszczenie możliwości w poszczególnych laboratoriach w celu uzyskania szybszej realizacji i niższych kosztów przy dużej przepustowości.”
IsoPlexis Single-Cell Intracellular Proteome
.png)
Rozwiązanie Single-Cell Intracellular Proteome firmy IsoPlexis wyrosło z kilku laboratoriów w Caltech, Wszystkie one poszukiwały lepszych sposobów monitorowania interakcji białko-białko w komórkach nowotworowych w celu opracowania ukierunkowanych terapii. Przy użyciu tradycyjnych metod, takich jak Western blot, spektrometria mas i cytometria przepływowa, tylko kilka typów białek może być śledzonych w danym czasie. Dzięki systemowi firmy Isoplexis, wprowadzonemu na rynek w lipcu, badacze mogą monitorować 30 lub więcej szlaków białkowych, a wyniki są dostępne tego samego dnia.
W przypadku poprzedniej technologii, fosforylacja była wykorzystywana do identyfikacji funkcji poszczególnych białek, bez wglądu w to, jak one ze sobą współpracują. The Single-Cell Intracellular Proteome ujawnia funkcję w ten sam sposób, ale jest również w stanie zapewnić kontekst dla całych szlaków sygnalizacyjnych białek, odkrywając jak sieć działa jako całość.
Zrozumienie całej sieci szlaków komórkowych pozwala badaczom lepiej zrozumieć dalsze skutki nieprawidłowego funkcjonowania komórek, mówi Sean Mackay, dyrektor generalny i współzałożyciel IsoPlexis. W przypadku nowotworów, dodaje, takie podejście pomaga ocenić skuteczność terapii celowanych, takich jak terapie przeciwciałami lub lekami małocząsteczkowymi.
„Takie ścieżki zasadniczo określają, w jaki sposób komórki są aktywowane, jest to szczególnie ważne w przypadku nowotworów, gdzie aktywowana sygnalizacja fosfoproteinowa jest nie tylko cechą charakterystyczną raka”, mówi James Heath, który prowadził laboratorium Caltech, które stworzyło technologię osiem lat temu, „ale jest głównym celem ukierunkowanych inhibitorów.”
MEAGHER: „Rozwiązanie Single-Cell Intracellular Proteome wykorzystuje innowacyjną mikrofluidykę do skalowania tego, co wygląda jak dobrze ugruntowana chemia ELISA do poziomu pojedynczych komórek.”
GigaGen Surge
Naukowcy stosowali m.in. dożylną immunoglobulinę (IVIG) w leczeniu pacjentów z niedoborem odporności lub w immunosupresji oraz osocze rekonwalescentów w leczeniu chorób zakaźnych od ponad wieku. A osocze jest jednym z wielu sposobów leczenia, które są obecnie wypróbowywane w przypadku COVID-19. Jednak próbki biologiczne pobierane od dawców nie są najbardziej standardowymi metodami leczenia. Z pomocą przychodzi platforma Surge firmy GigaGen, która wykorzystuje sekwencjonowanie pojedynczych komórek do „wychwytywania i odtwarzania” bibliotek przeciwciał pochodzących od dawców krwi. Aby stworzyć takie biblioteki, firma przepuszcza próbki krwi dawców przez platformę Surge w celu wyizolowania pojedynczych komórek B produkujących przeciwciała w mikrokroplach i wyodrębnienia RNA, które koduje przeciwciała. Na podstawie tych sekwencji genetycznych można stworzyć „schemat układu odpornościowego danej osoby” – mówi David Johnson, dyrektor generalny firmy GigaGen.
Badacze firmy wybierają następnie niektóre z tych przeciwciał, aby stworzyć rekombinowane leczenie przeciwciałami, które – jak twierdzą – jest znacznie silniejsze niż osocze rekonwalescencyjne lub IVIG, na podstawie eksperymentów in vitro i badań na modelach zwierzęcych. GigaGen nie planuje obecnie sprzedaży Surge, ale raczej wykorzystuje platformę do opracowywania terapii dla nowotworów, zaburzeń odporności, a ostatnio COVID-19. GigaGen ma nadzieję rozpocząć badania kliniczne nad terapią COVID-19, która wykorzystuje ponad 12 500 przeciwciał pochodzących od 16 dawców, na początku 2021 roku. Celem Surge jest „rozszyfrowanie złożoności układu odpornościowego”, mówi Johnson, a następnie dostosowanie leczenia przeciwciałami, które wywołują najsilniejszą odpowiedź.
Fred i Vicki Modell, którzy założyli Fundację Jeffreya Modella po tym, jak ich syn Jeffrey zmarł w wieku 15 lat z powodu komplikacji związanych z pierwotnym niedoborem odporności, twierdzą, że szukali alternatywy dla IVIG, która czasami jest trudno dostępna i może prowadzić do skutków ubocznych u wielu pacjentów. „Daje największy dar ze wszystkich – daje nadzieję pacjentom”, mówi Fred Modell.
CRUICKSHANK-QUINN: „Łącząc technologię mikroprzepływu kropli emulsji jednokomórkowej, genomikę i inżynierię biblioteki białek, ta terapia lekowa przeciwciałami, jeśli się powiedzie, może zrewolucjonizować leczenie COVID-19, jak również leczenie wielu różnych chorób.”
10X Genomics Chromium Single Cell Multiome ATAC + Gene Expression
Kilka lat temu, Firma 10X Genomics wprowadziła na rynek badanie ATAC-seq, służące do identyfikacji regionów otwartej chromatyny w pojedynczych komórkach; Produkt ten zdobył miejsce w zestawieniu The Scientist’s 2019 Top 10 Innovations. Według menedżera ds. marketingu produktu, Laury DeMare, nie minęło wiele czasu, a klienci zaczęli domagać się więcej, z informacją zwrotną o następującej treści: „To jest świetne, ale bardzo chcielibyśmy uzyskać informacje o ekspresji genów i ATAC-seq w tej samej komórce.” We wrześniu firma 10X wprowadziła na rynek Chromium Single Cell ATAC + Gene Expression, który zbiera zarówno dane epigenetyczne, jak i dane dotyczące ekspresji genów z poszczególnych jąder.
Platforma znakuje mRNA i otwarte fragmenty chromatyny z każdego jądra kodami kreskowymi DNA, wyjaśnia DeMare, a kwasy nukleinowe są następnie amplifikowane i analizowane. „Można zacząć łączyć elementy regulacyjne w genomie, które włączają lub wyłączają geny” – mówi. Koszt odczynników i mikroprzepływowego chipa wynosi około 2400 dolarów za reakcję.
Ansu Satpathy, immunolog ze Stanford University School of Medicine i były postdoc Howarda Changa, twórcy ATAC-seq, powiedział The Scientist, że używa nowego testu do badania efektów zmian epigenetycznych związanych z wyczerpaniem komórek T w próbkach guzów pobranych od pacjentów z nowotworami. Kiedy komórki T są wyczerpane, stają się mniej skuteczne w walce z rakiem, a „to co robimy teraz z połączeniem RNA i metody ATAC to pytanie, jak każdy z tych molekularnych przełączników reguluje geny, które prowadzą do tego dysfunkcyjnego wyniku w komórce?” mówi Satpathy.
KAMDAR: „To podejście pozwala, po raz pierwszy, na jednoczesne profilowanie epigenomu i transkryptomu z tej samej pojedynczej komórki, umożliwiając lepsze zrozumienie funkcjonalności komórki.”
10X Genomics Visium Spatial Gene Expression Solution
W ciągu ostatnich kilku lat transkryptomika pojedynczych komórek dostarczyła bogactwa informacji o ekspresji genów dla pojedynczych komórek i typów komórek. Obecnie firma 10X Genomics wprowadza nowszą technologię transkryptomiki przestrzennej, która dostarcza danych o całym transkryptomie dla jednej lub kilku komórek i ujawnia, gdzie dokładnie w próbce tkanki zachodzi ekspresja genów. Rozwiązanie Visium Spatial Gene Expression Solution, wprowadzone na rynek w październiku 2019 r., naświetla 55-mikrometrowe obszary w 5000 lokalizacji w próbce tkanki na oligonukleotydy wiążące mRNA i nakłada uzyskane dane dotyczące ekspresji genów na obrazy histologiczne.
Technologia została opracowana i pierwotnie wprowadzona na rynek przez szwedzką firmę Spatial Transcriptomics, którą 10X Genomics nabyła w 2018 roku. Następnie 10X dalej rozwijał produkt przed wprowadzeniem Visium na rynek w zeszłym roku. Rozwiązanie Visium Spatial Gene Expression Solution, które sprzedaje za 1000 USD za próbkę, ma mniejsze i gęściej upakowane plamki – i pięć razy więcej z nich – niż wtedy, gdy firma je odziedziczyła, mówi Nikhil Rao, dyrektor marketingu strategicznego 10X Genomics dla platformy przestrzennej. To zwiększa rozdzielczość, wyjaśnia. „Udało nam się również radykalnie poprawić czułość testów, dzięki czemu jesteśmy w stanie wychwycić dziesiątki tysięcy unikalnych identyfikatorów molekularnych na plamkę.”
Rao mówi, że wielu użytkowników Visium koncentruje się na neurobiologii, badając na przykład choroby neurodegeneracyjne. Jednak produkt ten jest również wykorzystywany w biologii rozwojowej, onkologii i immunologii. Biolog obliczeniowy z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, Elana Fertig, wykorzystała Visium do zrozumienia, w jaki sposób rak może opierać się leczeniu. „Dzięki posiadaniu informacji przestrzennych o tych komórkach można naprawdę rozgryźć mechanizmy molekularne, w których dochodzi do bezpośrednich interakcji, ponieważ można zobaczyć, czy komórki fizycznie na siebie oddziałują” – wyjaśnia.
MEAGHER: „To kolejna granica w biologii: nie tylko ekspresja genów na poziomie pojedynczej komórki lub kilku komórek, ale obecnie zbieranie danych o ekspresji genów z rozdzielczością przestrzenną na poziomie kilku komórek.”
Inscripta, Inc. Onyx™ Digital Genome Engineering Platform
Choć edycja genomu oparta na CRISPR stała się powszechnie stosowaną techniką w laboratoriach na całym świecie, istnieją pytania badawcze, które wymagają takiej skali majstrowania przy nukleotydach, która może być kłopotliwa, a nawet zaporowa dla niektórych laboratoriów. Platforma cyfrowej inżynierii genomu Onyx™ firmy Inscripta Inc. oferuje rozwiązanie – w pełni zautomatyzowane biblioteki genomowe z setkami tysięcy pojedynczych zmian w genomach drobnoustrojów. Urządzenie stacjonarne, które zostało wprowadzone na rynek w październiku 2019 r. i sprzedawane jest za 347 000 USD, pozwala użytkownikom na wprowadzanie pożądanych wariantów do DNA bakterii E. coli i drożdży S. cerevisiae, a instrument zajmuje się resztą.
Platforma łączy w sobie wszystko, od algorytmów do optymalizacji procesu edycji, przez mikroprzepływy do obsługi komórek, po same odczynniki. „Biolodzy nie muszą się już martwić o optymalizację techniczną i mogą teraz skupić się na dowolnym problemie biologicznym” – mówi Nandini Krishnamurthy, wiceprezes ds. rozwoju aplikacji w firmie Inscripta.
Shelley Copley, biolog molekularny z Uniwersytetu Colorado w Boulder, jest jednym z pierwszych testerów Onyxa. Używa go do badania wpływu mutacji synonimicznych, czyli takich, które nie zmieniają powstającego białka, na kondycję bakterii E. coli. „Wysoka wydajność jest kluczowa, by móc się tym zająć” – mówi. Zamiast próbować zaprojektować każdą mutację, którą chce zbadać po kolei, Onyx umożliwia Copley’owi wygenerowanie wszystkich 50 000 wariantów. Jej zespół może następnie przejść bezpośrednio do testów sprawnościowych. „Nie znam żadnej innej technologii, która by to potrafiła.”
KAMDAR: „CRISPR jest potężnym narzędziem do edycji genomów i umożliwia ocenę funkcjonalną, która może wyjaśnić przyczynowość i poprawić nasze zrozumienie biologii genomu. Ale te wyniki nie zostaną osiągnięte bez pokonania szeregu wyzwań technicznych i skalowalności. To właśnie umożliwia Cyfrowa Platforma Inżynierii Genomu Onyx.”
MOBILion SLIM
John McLean, chemik bioanalityczny z Uniwersytetu Vanderbilt, chce wiedzieć dokładnie, co znajduje się w gazie, aż do ostatniej cząsteczki lipidów w odparowanej próbce krwi lub tkanki. Od lat używa spektrometrii masowej do katalogowania związków w próbce według ich wagi. Czasami różne cząsteczki mogą mieć taką samą masę i taki sam skład atomowy, co utrudnia ich rozróżnienie. Separacja ruchliwości jonów przeprowadza próbki gazu przez długie na metr rury, aby rozróżnić cząsteczki według kształtu i struktury, omijając problem masy. Ponieważ jednak technika ta została opracowana kilkadziesiąt lat temu, nie osiągnęła ona takiej rozdzielczości jak spektrometria masowa. Aby osiągnąć podobną rozdzielczość, urządzenie do separacji jonów potrzebowałoby 13-metrowej rurki.
Wykonanie liniowej rurki o takiej długości jest niepraktyczne ze względu na ograniczenia przestrzeni laboratoryjnej. Dlatego kilka lat temu Richard Smith z Pacific Northwest National Laboratory i jego współpracownicy rozpoczęli burzę mózgów na temat tego, jak sprawić, by jony pokonywały zakręty. Ta dyskusja doprowadziła do powstania SLIM (Structures for Lossless Ion Manipulation – Struktury do bezstratnej manipulacji jonami), instrumentu z 13-metrową szyną wyciętą w dwóch płytkach drukowanych, które mieszczą się w pudełku o długości 3 metrów; urządzenie w ciągu kilku minut dostarcza danych na temat wielkości i kształtu związków chemicznych w próbkach. SLIM „ujawnia to, co niewidzialne”, mówi Laura Maxon, dyrektor ds. rozwoju biznesu i strategii korporacyjnej w MOBILION, „bez poświęcania czasu”. Ta pierwsza iteracja SLIM, którą MOBILion zaczął wdrażać jako wersję Beta do współpracowników wczesnego przyjęcia w drugim kwartale 2020 roku, jest zbudowana dla naukowców w farmaceutycznym lub klinicznym środowisku akademickim. Jak zauważa, cena jest konkurencyjna w stosunku do istniejących technologii, a firma planuje zaprojektować instrument do użytku w klinice w celu identyfikacji biomarkerów choroby.
„To, co widzimy dzisiaj, od MOBILION w sprawie SLIM, to tylko wierzchołek góry lodowej”, mówi McLean. „Jest wiele niewykorzystanego potencjału z analitycznego punktu widzenia”, więc „ludzie powinni spodziewać się ogromnego postępu w tych technologiach.”
BLAINEY: „Chromatografia jonoselektywna jest kluczowa dla biochemii. Niezła integracja technologii mikroelektronicznej z biotechnologią. „
SĄSIEDZI
Paul Blainey
Profesor nadzwyczajny inżynierii biologicznej na MIT i członek główny Broad Institute of MIT and Harvard University. Laboratorium Blaineya integruje nowe narzędzia mikrofluidyczne, optyczne, molekularne i obliczeniowe w celu zastosowania ich w biologii i medycynie. Grupa kładzie nacisk na ilościowe podejścia jednokomórkowe i jednomolekularne, dążąc do umożliwienia badań, które generują dane zdolne do ujawnienia działania naturalnych i zaprojektowanych systemów biologicznych w różnych skalach. Blainey nie brał pod uwagę produktów przedstawionych przez 10X Genomics w swoich rankingach z powodu jego finansowych powiązań z firmą.
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. Jego głównym zainteresowaniem badawczym jest rozwój nowych technik i urządzeń do analizy kwasów nukleinowych, w szczególności stosowanych do rozwiązywania problemów związanych z chorobami zakaźnymi, obroną biologiczną i społecznościami mikrobów. Ostatnio doprowadziło to do opracowania metod uproszczonej diagnostyki molekularnej dla pojawiających się patogenów wirusowych, które mogą być stosowane w punktach pierwszej potrzeby lub w krajach rozwijających się. Komentarze Meaghera są wyrazem jego profesjonalnej opinii, ale niekoniecznie reprezentują poglądy Departamentu Energii USA lub rządu Stanów Zjednoczonych.
Nota redaktora: Sędziowie rozpatrzyli dziesiątki zgłoszeń dotyczących różnych produktów z dziedziny nauk przyrodniczych, nadesłanych przez firmy i użytkowników. Panel sędziowski oceniał zgłoszenia, otrzymując jedynie podstawowe instrukcje od The Scientist, a jego członkowie zostali zaproszeni do udziału na podstawie ich znajomości narzędzi i technologii z dziedziny nauk przyrodniczych. Z wyjątkiem Paula Blainey’a, który ma powiązania finansowe z 10X Genomics i dlatego nie uwzględnił produktów tej firmy w swoim rankingu, nie mają oni żadnych powiązań finansowych z produktami lub firmami biorącymi udział w konkursie. W tym wydaniu The Scientist, wszelkie reklamy umieszczone przez zwycięzców wymienionych w tym artykule zostały zakupione po tym, jak nasi niezależni sędziowie wybrali zwycięskie produkty i nie miały wpływu na wynik konkursu.