《科学》评出2013年十大突破

发布时间：2013-12-25

2013年，攻克癌症路途上的一个转弯，带来免疫疗法临床试验的乐观数据，然而科学家仍然无法判断其前景几何。其他科学领域面临着同样的情况：目前如火如荼进行的CRIPER基因编辑技术是否在不久后会被更加灵活的工具取代？宇宙射线粒子的确受到超新星遗迹的加速，然而粒子与磁场究竟是如何互相作用的？

一项项喜人的科学突破总是带来更多的不确定性。伴随着欣喜、疑问和期待，《科学》杂志盘点了2013年那些领跑科学的十大重要突破。

癌症免疫疗法

2013年标志着癌症攻克的一个转折点，致力于使人体免疫系统免受肿瘤影响的长期努力正在奏效，尽管其前景仍是一个问号。

免疫疗法是一种治疗癌症的完全不同的方式，其目标是免疫系统，并非肿瘤本身。今年6月，研究人员报告，结合使用伊匹单抗（即抗CTLA-4）和抗PD-1令1/3的黑色素瘤患者出现“深层和快速的肿瘤消退”。目前尚不能证明阻断T细胞表面的PD-1通路的药物可以延长生命，但迄今为止的存活率使医生对此保持乐观。

20世纪80年代，法国研究人员定义了T细胞表面的一种新蛋白受体CTLA-4，癌症免疫学家James Allison发现CTLA-4相当于一个阀门，可以阻止T细胞全面启动免疫攻击，他设想阻拦CTLA-4的作用是否可以使免疫系统摧毁癌症。20世纪90年代，日本的一位生物学家发现了T细胞上的另一个阀门PD-1。随着临床实验中抗CTLA-4与抗PD-1带来癌症患者病情的显著改善，该疗法逐渐成为主流。至少5个主要的制药公司抛弃了早先的犹豫态度，正在开发该类抗体。

2011年，美国食品和药品管理局批准了百时美施贵宝针对转移性黑素瘤的伊匹单抗治疗。2012年，霍普金斯大学的Suzanne Topalian、耶鲁大学的Mario Sznol和同事报告了在近300名患者中使用抗PD-1疗法的结果，其中31%黑色素瘤患者、29%肾癌患者和17%肺癌患者的肿瘤萎缩了一半或更多。2013年，据百时美施贵宝报告称，在1800名使用伊匹单抗治疗的黑色素瘤患者中，22%的人在3年后仍存活。

总是用事实说话的肿瘤学家表示，癌症治疗刚刚走过一个转角，而他们将不再回头。

大众基因显微手术

20世纪20年代，手术室中引入显微镜，其精度和易用性带来了一场外科手术的革命。2013年，一种被称为CRISPR的基因编辑技术触发了大量研究的进行，它使生物学家可以更加精确和轻松地进行对基因组的操作。这归功于一种被称为Cas9的细菌蛋白，它与旨在追踪特定DNA序列的RNA一起，成为了常规抑制、激活或者改变基因的分子手术的工具包。

这样的基因显微技术在十年前还是一个梦。随着锌指核酸酶和TALENs（转录激活因子样效应物核酸酶）工具的出现，基因功能研究和潜在基因治疗应用变得愈加方便。2012年，研究人员首次在试管中使用实验室制造的CRISPR复合物进行基因编辑，其他人立即认识到CRISPR的潜力。在使用TALEN与锌指核酸酶时，每个目标新基因都需要一个定制的蛋白质，而CRISPR则只需要特定的RNA，比定制蛋白质要简单得多。

CRISPR在2013年相当受人瞩目，10个月内有50篇相关论文发表，关于它的“how-to”网站每天吸引约900位访客。自从1月起，十多个团队已经使用CRISPR操纵了老鼠、细菌、酵母、斑马鱼、线虫、果蝇、植物和人体细胞中的特定基因，为了解这些基因的功能和利用它们改善健康状况铺平了道路。CRISPR还具有同时修改多个基因的潜力，并简化了制作疾病小鼠模型的工作。在未来，CPISPR很可能被更加灵活的基因编辑工具取代，然而现在，CPISPR的热潮仍在持续。

脑成像技术

2013年，大脑的一个新窗口被打开，有望从根本上改变实验室研究这种错综复杂的器官的方式，它被称为CLARITY。由于形成细胞膜的脂肪会散射光，CLARITY通过消除脂肪可以使大脑组织透明如玻璃，它使用一种凝胶取代脂质分子，同时能保持神经元、其他脑细胞及细胞器完整，从而使错综复杂的大脑结构呈现出来。

在以前试图建立透明大脑的技术中，各组织非常脆弱，但在CLARITY中，这些组织足够坚固，科学家可以多次将不同标记渗入其中，进而将其冲出，并使大脑重复成像。研究人员称，这种进步能够使计算一个特定大脑区域的神经元数量等任务的速度提升100倍。相比之下，传统的死亡脑组织成像方法变得无关紧要。不过，目前该技术局限于少量的组织：澄清4毫米直径的老鼠大脑仍需要大约9天。

人体胚胎克隆

2013年，研究人员宣布，他们已经克隆出人体胚胎，并将其用于胚胎干（ES）细胞的来源，这是一个梦寐以求的目标。ES细胞能够发展成任何组织，并提供与克隆细胞完美匹配的基因，是研究和开发药物的强大工具。然而，对于破坏胚胎的担忧以及克隆人类胚胎的简易便捷可能会使其成为标准惯例。

这种克隆技术被称作体细胞核移植（SCNT），科学家将细胞核从卵细胞中移出，然后将其与细胞材料和克隆个体的一个细胞进行融合。融合细胞收到开始分裂的信号后，胚胎开始发育。科学家已经使用SCNT克隆了老鼠、猪和其他动物，但一直未攻克人体细胞。

2007年，美国俄勒冈国家灵长类动物研究中心的研究人员最终克隆出猴子胚胎，并从中获得ES细胞。在该过程中，他们发现一些调整可以使SCNT在包括人类在内的灵长类动物细胞中更加有效。最终的方法效果惊人，10次实验中就有1次可以产生ES细胞。其中一个关键的因素是咖啡因，它似乎可以帮助稳定人类卵子细胞中的关键分子。

从长远看，该技术有多重要是一个开放性的问题。自从首次尝试人类克隆，研究人员发现，他们可以通过将成年细胞“重新编程”为诱导多能干细胞（iPS细胞），以制作针对病患的干细胞。科学家在2007年将该技术用于人体细胞，去除人类卵子以及不涉及胚胎两大因素使SCNT极具争议性并且价格昂贵。不过一些实验表明，至少在老鼠身上，来自克隆胚胎的ES细胞的质量要好于iPS细胞。

克隆婴儿也引发了担忧。但目前这似乎不太可能实现。俄勒冈的研究人员称，尽管经过了数百次的尝试，他们克隆的猴子胚胎也不能使代孕个体成功孕育生命。

迷你器官

今年，科学家成功使iPS细胞在实验室成长为微小的“类器官”——肝脏雏形、迷你肾脏，甚至初期的人类大脑。

由澳大利亚研究人员培养出的这种大脑与真实大脑在一些重要方面有所不同。由于其缺少血液供应，它们在长到苹果种子大小时便会停止生长，中心的细胞由于缺少养分和其他营养物质会相继死亡。但是类器官对人类大脑的模拟程度令人吃惊，在显微镜下可以观察到眼组织，就像早期胎儿的大脑。

迷你大脑已经被投入对头小畸形病症（大脑无法成长至正常大小）的研究。当研究团队开始使用来自于一位头小畸形患者的iPS细胞时，其得到的类器官要小于正常器官，因为干细胞过早就停止了分裂。随着进一步的发展，研究人员希望利用迷你大脑技术探索其他人类疾病。

宇宙射线的来源

几十年以来，物理学家认为，作为宇宙射线在太空穿行的高能质子和原子来自于恒星爆炸后的残骸，或者说超新星。现在，他们确定了这一结论。今年，研究人员使用美国宇航局（NASA）费米伽马射线太空望远镜，发现了这些粒子在银河系的云状超新星遗迹中加速的首个直接证据。

将宇宙射线追根溯源至超新星遗迹并不容易。因为这些质子和核都是带电粒子，在星际磁场漩涡中运行。最终，宇宙射线并不直接指向其最初起源地。费米望远镜团队不得不找到其他方法显示超新星遗迹对这些粒子进行了加速。

如果质子在超新星遗迹中被加速，那么一些质子—质子对撞仍应该会发生。这种对撞会进而产生被称作pi-zero介子的短暂存在的粒子，很快衰变成一对高能质子。这种pi-zero衰变应该会使来自超新星遗迹的能量谱出现高峰波动。在搜集了5年数据后，费米的研究人员在两个超新星遗迹中发现了质子加速的信号。其他研究曾经发现过该信号，但是费米望远镜的实验是首次清晰的观测。

天体物理学家仍不清楚粒子与磁场相互作用的很多细节，而且他们怀疑最高能量的宇宙射线来自银河系之外。不过，超新星遗迹的确喷涌出宇宙射线却是毫无疑问的。

太阳能新星

钙钛矿作为一颗冉冉升起的新星，照亮了太阳能研究界。这种便宜易制的晶体被证明能够将15%阳光的能量转换为电能。4年前的技术只能达到3.8%，而且它比研究人员研发几十年的一些太阳能电池技术还要好。

钙钛矿太阳能电池仍然落后于全世界屋顶上的硅板太阳能，后者的效率一般可达20%，在实验室中最高能达25%。但是硅电池和其他高效能太阳能材料依赖于高温下使用昂贵的设备生产出的半导体。钙钛矿则不同。目前用于太阳能电池的钙钛矿仅仅通过在溶液中混合便宜的前体化合物，然后在物体表面晾干就可以了。令人吃惊的是，该过程生产出的钙钛矿有着很高的结晶质量，两个研究团队报告称能够使用其产生激光。

不过，关于钙钛矿太阳能电池最好的消息是，也许可以将其与传统的硅太阳能电池整合，将其覆盖在硅板顶部，可以使效率达到30%。全世界的太阳能研究人员都在竞相将两者结合起来。

为什么睡觉

我们为何睡觉？这是生物学的最基本问题。2013年，神经科学家在这个答案的追寻上有了一个大跨步。

大多数研究人员都认为，睡眠有着多种作用，例如增强免疫系统和巩固记忆等，但是他们长期以来一直在寻找各物种都适用的睡眠“核心”功能。通过追踪睡眠小鼠大脑中的有色染料，科学家得出结论，睡眠的基本目的是：清洗大脑。他们发现，在小鼠睡眠时，大脑运输管道的网络膨胀了60%，增加了脑脊液的流动，从而清理了β淀粉蛋白等代谢废物。

在这一发现之前，研究人员一直认为大脑处理细胞垃圾的唯一方法是将其破坏并在细胞内回收。如果未来的研究发现，许多其他的物种也会经历这一大脑清理的过程，那将表明清洗的确是睡眠的一个核心功能。新发现还说明，睡眠不足也许在神经疾病的发展中发挥着作用。但是由于其因果关系尚不确定，人们担心这一问题还为时过早。

微生物与健康

研究人员发现，人体内的细菌在决定身体如何应对营养不良和癌症等不同挑战方面扮演着重要角色。

100万亿个细胞承载着300万种不同的基因——这就是人体内生活着的微生物的状况。各种动物研究显示，这些看不见的生物深刻影响着身体对环境、疾病和医疗的反应。今年，研究人员开始精确定位特定微生物影响健康和疾病的方式。

2013年，研究人员追踪肠道微生物与癌症之间的一些联系。3个抗癌疗法被证明需要肠道细菌才能奏效；细菌可以帮助刺激免疫系统以应对药物治疗。一个小鼠研究显示，由于肥胖小鼠体内产生一种损害DNA的细菌副产品，与肥胖相关的一种肝癌发生率会上升。新发现还证实了之前的猜测：一种被称作梭菌属的肠道细菌对刺激结直肠肿瘤有重要作用。

研究人员还得到了更多关于微生物影响免疫系统功能的提示。例如，自身免疫性疾病风湿性关节炎可能与一种被称为普氏菌的细菌有关。在小鼠中，对由于接触室内外的猫狗所引起的过敏和哮喘预防，很大程度上是由于肠道乳酸菌的增加。

研究越来越明显地表明，个性化医疗要想更加有效，需要将每个人体内的微生物情况考虑在内。

疫苗设计

几十年以来，研究人员一直希望结构生物学（在近原子水平研究生物分子）可以帮助他们设计更好的疫苗。今年，他们终于发现令人信服的证据，证明该方法可以带来一流的回报。

呼吸道合胞病毒（RSV）每年使数百万婴儿感染肺炎和其他肺部疾病，许多疫苗都对其无效。对于面临严重RSV疾病高风险的儿童，市场上的帕利珠单抗可以使患病率减少一半，但是帕利珠单抗单剂量的成本将近1000美元，对许多患病儿童来说遥不可及。

比帕利珠单抗有效10到100倍的抗体已经开始被隔离研究。今年5月，美国国家过敏症和传染病研究所（NIAID）的一个研究团队报告称，他们已经锁定其中一种。该抗体会与RSV表面一种被称为F的蛋白质结合（病毒在感染过程中通过F与细胞融合）。研究人员利用X射线衍射技术研究了该抗体的晶体结构，从更精细的角度分析了F蛋白质的脆弱点。11月，NIAID的研究团队取得了新的进展：使用其结构分析得到的发现，设计一种RSV F蛋白质作为免疫原。其策略被证明是正确的：该蛋白质可以刺激产生高效抗体，它一夜之间成为了RSV疫苗的领先候选者。不过这种疫苗尚未用于人体，NIAID的研究人员希望先对其进行18个月的准备测试。