《科学》评出2013年十大突破
时间:2017-12-07

  “科学”2013年十大突破 - 新闻 - 科技网

  在2013年,通往癌症之路的转机带来了乐观的免疫治疗临床试验,然而科学家仍然无法判断其未来。科学的其他领域也是如此:在不久的将来,正在全面实施的CRIPER基因编辑技术将被更灵活的工具取代吗?宇宙射线粒子确实被超新星遗迹加速,但粒子和磁场如何相互作用呢?

  一个可喜的科学突破总会带来更多的不确定“科学”杂志以喜悦,怀疑和期待着眼于2013年的科学领先十大突破。

  癌症免疫治疗

  2013年标志着癌症捕获的一个转折点,并且长期努力保护人体的免疫系统免受肿瘤的影响,尽管其前景仍然是一个问号。

  免疫疗法是治疗癌症的完全不同的方式,其目标是免疫系统,而不是肿瘤本身。六月份,研究人员报告说,使用ipilimumab(即抗CTLA-4)和抗PD-1的黑色素瘤患者约三分之一发生了深度和快速的肿瘤消退。目前还没有证据表明,阻断T细胞表面PD-1途径的药物可以延长生命,但迄今为止成活率使医生看好。

  1980年,法国研究人员定义了一种新的T细胞表面受体CTLA-4,一名癌症免疫学家James Allison发现,CTLA-4起到了阻断T细胞免疫攻击的作用,他设想阻断CTLA-4的作用是否会引起免疫系统摧毁癌症。在20世纪90年代,日本的一位生物学家在T细胞上发现了另一个PD-1阀门。随着抗CTLA-4和抗PD-1的临床试验使癌症患者病情明显改善,疗法逐渐成为主流。至少有五家大型制药公司已经放弃了犹豫,并正在开发这样的抗体。

  2011年,美国食品和药物管理局批准Bristol-Myristate Ipizumab治疗转移性黑色素瘤。 2012年,Suzanne Topalian Hopkins大学,Mario Sznol耶鲁大学及其同事报告了近300例患者使用抗PD-1治疗的结果,其中31%的黑色素瘤患者,29%的肾癌患者和17例肺癌肿瘤缩小减半或更多。百时美施贵宝公司(Bristol-Myers Squibb)报告,在接受ipilimumab治疗的1,800名黑色素瘤患者中,有22%在3年后存活。

  总是说话的肿瘤学家说癌症治疗刚刚过了一个角落,他们不会回头看。

  重要的基因显微手术

  在二十世纪二十年代,将显微镜引入手术室导致了精确性和易用性的革命。 2013年,一项名为CRISPR的基因编辑技术引发了大量的研究,使生物学家能够更精确,更轻松地对基因组进行研究。这是由于一种称为Cas9的细菌蛋白质,与设计用于追踪特定DNA序列的RNA一起,成为常规分子手术的工具包,用于抑制,激活或改变基因。

  这种基因显微镜是十年前的梦想。随着锌指核酸酶和TALEN(转录激活剂样效应核酸酶)工具的出现,遗传功能研究和潜在的基因治疗应用变得更加便利。 2012年,研究人员首次使用实验室生成的CRISPR复合物进行体外基因编辑,其他人立即意识到了CRISPR的潜力。当使用TALEN和锌指核酸酶时,每个新的靶基因需要定制蛋白质,而CRISPR只需要特定的RNA,这比定制蛋白质简单得多。

  CRISPR在2013年受到了相当的关注,在10个月内发表了50篇相关论文,每天约有900个访问者访问其网站。自1月份以来,已有十多个团队用于操纵人类细胞中的CRISPR小鼠,细菌,酵母,斑马鱼,线虫,果蝇,植物和特定基因,以了解这些基因的功能并将其用于改善健康商店铺平道路。 CRISPR也有可能同时修改多个基因,并简化了发展疾病小鼠模型的工作。未来,CPISPR很可能会被更灵活的基因编辑工具所取代,但是CPISPR的热潮今天仍在继续。

  脑成像技术

  2013年,大脑中的一个新窗口被打开,预计将彻底改变实验室研究这个复杂的器官的方式,即所谓的“清晰”。光散射由于脂肪细胞膜的形成,可以通过消除大脑的CLARITY脂肪组织,如透明玻璃,它使用凝胶取代的脂质分子,同时保持神经元,脑细胞和其他细胞是完整的,让大脑复杂的结构呈现出来。

  在以前的建立透明大脑的尝试中,组织是脆弱的,但在CLARITY中,这些小组足够强大,科学家可以多次渗透不同的标记,冲洗出大脑并复制大脑。研究人员说,这样的进步可以使任务,如计数在一个给定的大脑区域的神经元数量快100倍。相比之下,传统的脑死亡成像方法变得无关紧要。然而,该技术目前仅限于少量的组织:澄清4mm直径的大鼠脑仍需要大约9天的时间。

  人类胚胎克隆

  在2013年,研究人员宣布他们克隆了人类胚胎,并将其用作胚胎干(ES)细胞的来源,这是一个梦寐以求的目标。 ES细胞发育成任何组织的能力,并为克隆细胞提供完美的匹配,是研究和开发药物的有力工具。然而,担心胚胎破坏和克隆人类胚胎的难易程度可能会使其成为标准的做法。

  被称为体细胞核移植(SCNT)的科学家克隆了来自卵细胞的细胞核并将其融合到细胞材料的细胞中并克隆出个体。融合细胞收到信号开始分裂后,胚胎开始发育。科学家们用SCNT来克隆小鼠,猪和其他动物,但是从来没有克服过人类的细胞。

  2007年,俄勒冈州国家灵长类研究中心的研究人员最终克隆了猴胚胎,并从中获得了ES细胞。在这个过程中,他们发现一些调整可以使SCNT在包括人类在内的灵长类细胞中更有效。最终的结果是惊人的,10个实验之一产生ES细胞。关键因素之一是咖啡因,这似乎有助于稳定人类卵细胞中的关键分子。

  从长远来看,这项技术的重要性是一个悬而未决的问题。自从人类克隆的第一次尝试以来,研究人员已经发现,他们可以通过将成体细胞重编程为诱导多能干细胞(iPS细胞)来制造靶向患者的干细胞。科学家在2007年人类细胞中使用这种技术,去除人类卵子,以及缺乏胚胎的参与,使得SCNT具有很高的争议性和昂贵的价值。然而,一些实验显示,至少在小鼠中,来自克隆胚胎的ES细胞比iPS细胞具有更好的质量。

  克隆婴儿也引起关注。但是现在看起来不太可能。俄勒冈州的研究人员指出,即使经过数百次的尝试,克隆的猴子胚胎也未能使代孕者成功。

  今年,科学家成功地使iPS细胞成长为微小的类肝脏原型,微型肾脏,甚至在实验室初始人类大脑。

  这个由澳大利亚研究人员开发的大脑在一些重要的方面与真正的大脑不同。由于缺乏血液供应,在长到苹果种子大小时就会停止生长,中间的细胞由于缺乏营养物质和其他营养物质而相继死亡。然而,人体的大脑模型是惊人的适中,在显微镜下,可以观察到眼组织,就像早期胎儿的大脑一样。

  迷你大脑已经被用于研究小畸形(大脑不能长到正常大小)。当小组开始使用来自小畸形患者的iPS细胞时,由于干细胞过早分裂停止,所以它比正常器官得到更少的类器官。随着进一步的发展,研究人员希望利用迷你脑技术来探索其他人类疾病。

  宇宙射线的来源

  几十年来,物理学家们认为宇宙射线中穿过太空的高能质子和原子来自恒星爆炸的遗迹或超新星。现在,他们已经证实了这个结论。今年,研究人员利用美国宇航局费米伽玛射线望远镜发现了这些粒子在星系云状超新星遗迹中加速的首个直接证据。

  追溯宇宙射线回到超新星遗迹并不容易。由于这些质子和原子核是带电粒子,它们在星际磁场涡旋中运行。最终,宇宙射线并不直接指向它们的原始起源。费米的望远镜队必须找到其他的方法来表明超新星遗迹加速了这些粒子。

  如果质子在超新星遗迹中被加速,一些质子质子碰撞仍然应该发生。这种碰撞反过来会产生短暂的粒子称为pi-zero介子,迅速衰减到一对高能质子。这个pi-zero衰变应该会引起超新星遗迹的能谱尖峰。在收集了五年的数据后,费米研究人员在两颗超新星遗迹中发现了质子加速信号。其他研究已经看到了这个信号,但费米的实验是第一个被清楚地观察到的。

  天体物理学家对于粒子如何与磁场相互作用的细节还不太确定,他们怀疑能量最高的宇宙射线来自银河系外。然而,毫无疑问,超新星遗迹确实从宇宙射线中喷出。

  太阳能新星

  钙钛矿作为后起之秀,照亮了太阳能研究界。这种更便宜,更容易制造的晶体被证明可以将太阳能的15%转换成电能,四年前这种技术只有3.8%,比一些研究人员开发的太阳能电池技术几十年。

  钙钛矿太阳能电池仍然滞后于世界屋顶的太阳能电池板,效率高达20%,实验室高达25%。然而,硅电池和其他高性能太阳能材料依赖于在高温下使用昂贵的设备生产的半导体。钙钛矿是不同的。目前用于太阳能电池的钙钛矿可以简单地通过在溶液中混合便宜的前体化合物,然后在物体表面上干燥来制备。令人惊讶的是,这个过程产生了高结晶质量的钙钛矿,两个研究小组已经报道了使用它们来生产激光的能力。

  然而,关于钙钛矿太阳能电池的最好消息是,它可能与传统的硅太阳能电池相结合,覆盖硅片的顶部,效率高达30%。世界各地的太阳能研究人员正在竞相将两者结合起来。

  为什么睡觉?

  我们为什么要睡觉?这是生物学中最基本的问题。在2013年,神经科学家在寻找这个答案方面取得了很大的进展。

  大多数研究者都认为,睡眠有多种作用,比如增强免疫系统和巩固记忆,但是他们一直在寻找适合每个物种的睡眠核心功能。通过跟踪睡眠大脑中的染料,科学家得出结论:睡眠的基本目的是清洁大脑。他们发现,当小鼠睡觉时,大脑输送管道的网络膨胀了60%,增加了脑脊液的流动,从而清除了淀粉样蛋白等代谢废物。

  在这个发现之前,研究人员长期以来一直认为,大脑处理细胞废物的唯一方法就是破坏细胞并将其收回。如果未来的研究表明,许多其他物种也将通过这个大脑清理过程,这将表明,清洁确实是睡眠的核心功能。新的发现还表明,睡眠不足可能在神经系统疾病的发展中起作用。但由于其因果关系的不确定性,对这一问题的担忧还为时过早。

  微生物学和健康

  研究人员发现,人体内的细菌在确定身体的不同挑战如营养不良和癌症方面起着重要的作用。

  100万亿个细胞携带大约三百万种不同的基因 - 身体中活的微生物的状况。各种动物研究表明,这些看不见的生物深深地影响着人体对环境,疾病和医疗的反应。今年以来,研究人员开始确定某些微生物如何影响健康和疾病。

  在2013年,研究人员追踪了肠道微生物和癌症之间的一些联系。已经证明三种抗癌疗法需要肠道细菌起作用;细菌可以帮助刺激免疫系统,以应付药物。一项小鼠研究显示肥胖相关肝癌的发病率增加,这是由于产生了损害肥胖小鼠DNA的细菌副产物。新发现也证实了此前的猜测:称为梭菌(Clostridium)的肠道细菌在刺激结肠直肠肿瘤中起重要作用。

  研究人员还得到了关于微生物如何影响免疫系统的更多提示。例如,自身免疫性疾病类风湿性关节炎可能与被称为Prevotella的细菌有关。在小鼠中,由于暴露于室内和室外的猫和狗的过敏和哮喘预防很大程度上是由于肠道乳酸杆菌的增加。

  个人化医疗需要考虑到每个人的微生物状况,才能更有效地从研究中变得越来越清楚。

  几十年来,研究人员一直希望结构生物学(在原子水平上研究生物分子)将帮助他们设计出更好的疫苗。今年,他们终于找到了令人信服的证据表明这种方法能够带来一流的回报。

  呼吸道合胞病毒(RSV)每年感染数百万患有肺炎和其他肺部疾病的婴儿,其中许多是无效的。市场上的帕利珠单抗使患有严重RSV疾病的高风险儿童患病率降低一半,但单剂帕利珠单抗价格接近1,000美元,而且许多处于危险中的儿童无法接触。

  比帕利珠单抗更有效10到100倍的抗体已经开始分离。五月份,美国国家过敏和传染病研究所(NIAID)的一个研究小组报告说,他们已经锁定了其中一个。该抗体结合RSV表面上称为F(在感染期间通过F与病毒融合的病毒)上的蛋白质。研究人员使用X射线衍射技术从F蛋白易损性的更复杂的角度研究抗体的晶体结构。 11月,NIAID的研究小组取得了新的进展:利用其结构分析的发现,我们设计了一种RSV F蛋白作为免疫原,该策略证明是正确的:蛋白刺激高效抗体的产生,是RSV疫苗的主要候选者,但该疫苗尚未用于人类,NIAID的研究人员希望对其进行18个月的测试。

  今年秋天发布的另外三项研究使用类似的策略来设计HIV疫苗。为了找到最好的研究人员还没有证明其假定的免疫原之一可以刺激抗体对艾滋病毒的反应可以产生无数的变化,但他们希望跟随RSV同事的脚步,在动物实验中测试了许多版本的人造蛋白质。

  由于结构生物学已经证明了其在疫苗设计中的价值,许多研究人员希望这一开创性的工作也可以为丙型肝炎疫苗,登革热和其他病毒疫苗的发展指明方向。 (苗妮)

  
 

  “中国科学”(2013-12-25第3版国际)