Le 10 migliori innovazioni biotecnologiche che dovresti conoscere

Jennifer Huen, biochimico freelance su Kolabtree, delinea le 10 migliori innovazioni biotecnologiche sul mercato oggi. Leggi i migliori prodotti e servizi delle scienze della vita e le aziende che li hanno creati.  

Le innovazioni biotecnologiche sono cresciute costantemente negli ultimi 10 anni, non solo in campo medico, ma anche in agricoltura, ambiente ed energia. Quasi tutti questi biotech innovations involve genetic engineering, diagnostics, or assays, reflecting on the importance of synthetic biology on current biotechnological developments. Here are the top 10 biotech innovations that are transforming the industry. 

 1. Single Cell Technologies

Le tecnologie a cella singola forniscono una visione dettagliata degli ambienti cellulari e sono strumenti importanti utilizzati nella scoperta di farmaci e nella ricerca clinica. Insieme a sequenziamento di prossima generazioneLe tecnologie a cellule singole rivelano un'immagine più realistica di una popolazione di cellule, che è particolarmente importante per comprendere l'eterogeneità dell'ambiente tumorale. Poiché queste tecnologie sono utilizzate principalmente nell'ambito della ricerca, un certo numero di aziende di ricerca a contratto offrono piattaforme di sequenziamento e analisi di singole cellule con pannelli di DNA specifici. Per esempio, Missione Bio offre la sua piattaforma Tapestri per i ricercatori per profilare geneticamente ogni cellula in una data popolazione utilizzando un flusso di lavoro microfluidico in due fasi combinato con il sequenziamento di una singola cellula [1]. La profilazione malattia-specifica può essere ottenuta utilizzando pannelli di DNA specifici, come il pannello della leucemia linfoblastica acuta [1]. Le analisi di singole cellule di solito richiedono più macchine con protocolli separati, ma Berkeley Lights ha fatto un passo avanti sviluppando una singola macchina che può elaborare e analizzare le cellule una per una, simultaneamente. Il Beacon è capace di manipolazioni multiple di singole cellule in un chip optofluidico che contiene decine di migliaia di piccole camere cellulari [2]. Usando la dielettroforesi indotta dalla luce, cellule specifiche sono partizionate per ulteriori analisi, come lo screening del repertorio di anticorpi, come dimostrato dall'azienda di drug discovery, Aldevron [2, 3]. Il Fulmine è stato anche lanciato di recente per soddisfare la ricerca specifica sulle cellule T [4].

2. Biosensori aptameri 

Misuratori di glucosio, test di gravidanza e sensori di metalli pesanti sono solo alcuni dei rivelatori basati su biosensori sviluppati e utilizzati dagli anni '60 [5]. I biosensori consistono in enzimi, anticorpi o microbi che permettono una lettura del composto che viene rilevato. Le più recenti tecnologie dei sensori si sono concentrate sui metodi basati sugli aptameri dell'acido nucleico in quanto hanno il potenziale per essere più sensibili, stabili e convenienti dei metodi precedenti. Biosensori aptameri are typically developed by systematic evolution of ligands using exponential enrichment (SELEX,[6]), which generate stable DNA or RNA molecules that are highly selective to its target. For environmental testing or medical diagnostics where sample complexity is high, aptamers might just be the right type of molecule and a number of companies have focused on developing aptamers for these purposes. For example, South Korea-based Aptamer Sciences has developed an in vitro diagnostic test called the AptoDetect-Lung that assesses the risk of a patient developing lung cancer by detecting seven lung cancer biomarcatori [7]. The test was shown to improve diagnostic accuracy compared to CT scan examination [8]. AptoDetect-Lung was recently granted diagnostic approval by the Korean Ministry of Food and Drug Safety [7].

3. Current Cell Therapies 

La gestione delle malattie croniche a volte richiede trattamenti farmacologici ripetuti, ma immaginate se ci fosse un modo per i farmaci di essere consegnati dove è necessario, quando è necessario, automaticamente. È qui che gli scienziati stanno sviluppando terapie cellulari che rilasciano farmaci [9]. Nei pazienti diabetici di tipo 1, le β-cellule pancreatiche danneggiate portano a una carenza di insulina e a un accumulo di glucosio nel sangue, con conseguenti sintomi come minzione frequente, sete eccessiva e mal di testa [10]. Una possibile soluzione è stata sviluppata da Seraxisun dispositivo impiantabile composto da cellule pancreatiche coltivate in laboratorio che rispondono direttamente ai livelli di glucosio nel sangue del paziente [11]. Il dispositivo contiene cellule delle isole prodotte da cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) ed è destinato ad eliminare i trattamenti farmacologici per questi pazienti. Un'altra azienda che sta sviluppando trattamenti impiantabili una tantum è quella di Auckland Tecnologie delle cellule viventi. La loro terapia NTCell consiste in una capsula rivestita di alginato contenente cellule del plesso corioideo neonatale che viene impiantata nel cervello di pazienti con Parkinson [12]. Le cellule del plesso corioideo forniscono fluido cerebrospinale, mitogeni e altri fattori che supportano la crescita e la funzione neuronale [12]. Nel 2013, Living Cell Technologies ha sponsorizzato il primo trial clinico al mondo per la terapia cellulare rigenerativa per il morbo di Parkinson e attualmente sta valutando NTCell per ulteriori studi.

4. Stem Cell Applications

Dall'inizio degli anni '80, gli scienziati hanno studiato le condizioni e il controllo dell'identità di cui cellule staminali differentiate. The ability to generate the desired cell type by controlled differentiation proved to be industrially important in areas such as sviluppo di farmaci, regenerative medicine, and the manufacture of valuable bio-materials. For example, one Canadian-based company, NovoHeart, developed a solution for researchers looking to conduct drug tests for cardiac diseases. Their MyHeart platform utilizes iPSCs to generate human cardiac tissue or organ models, such as their human ventricular cardiac organoid chamber (or human heart-in-a-jar), which more closely mimics the actual human heart environment than animal models typically used during preclinical development [13, 14]. MyHeart is intended to predict, more accurately, the effects of new drugs before they head to studi clinici. Another company is focused on bringing stem cell technology directly to the point of need. Biogenesi delle piastrine, una startup del 2014 con sede nel Massachusetts, sta sviluppando un bioreattore mobile su richiesta per la terapia cellulare sul campo, come nei posti medici militari [15, 16]. Il bioreattore produce cellule simili alle piastrine derivate da iPSC che sono attualmente in fase di sviluppo per trattare malattie della coagulazione del sangue come la trombocitopenia immune [16].

"Integrando @Harvard'tecnologia del bioreattore a valvole con il nostro cuore umano proprietario-in-a-jar, Novoheart avanzerà le sue capacità di modellazione della malattia ad un livello senza precedenti di biofideltà per i saggi cardiaci umani in vitro" - Kevin Costahttps://t.co/zBwXX48EPL

- Novoheart (@Novoheart) 19 dicembre 2019

 Le tecnologie delle cellule staminali non sono certamente limitate alla ricerca e ai trattamenti medici, e questo è dimostrato dal numero di aziende che investono in carni coltivate e proteine alternative. Utilizzando l'agricoltura cellulare, aziende come Campi futuri, Carni di Memphis, e Super Carne stanno sviluppando pollo, manzo, anatra, uova e latte coltivati in laboratorio. Il primo hamburger è stato prodotto nel 2013 nel laboratorio di Mark Post all'Università di Maastricht, ma al prezzo colossale di circa $300.000 dollari [17, 18]. Da allora, le aziende hanno fatto una corsa per ridurre i costi di produzione con Super Meat, con sede in Israele, potenzialmente in testa: il lancio del primo menu di degustazione di pollo coltivato in laboratorio questo ottobre nel loro ristorante, The Chicken [19, 20].

5. CRISPR-based Platforms

Dalla scoperta del Streptococcus pyogenes CRISPR-Cas9 adaptive immune response by the groups of Jennifer Doudna and Emmanuelle Charpentier [21], both of whom are this year’s Nobel prize recipients in chimica, a number of CRISPR-based companies have been established. However, the first commercial application actually began in 2007 when scientists at Danisco (acquired by DuPont in 2011) discovered short repeat sequences in the genome of one of their yogurt bacteria, Streptococcus thermophilus [22, 23]. Hanno identificato che questi erano clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR), usati da S. thermophilus per respingere le infezioni da batteriofagi [23]. Dupont ha poi usato la loro scoperta per ingegnerizzare ceppi resistenti ai fagi nel loro processo di produzione dello yogurt [22, 23]. Circa un decennio dopo, vari sistemi CRISPR-Cas sono stati caratterizzati, fino alla struttura atomica, con CRISPR-Cas9 che è il più ampiamente studiato.

La tendenza a sviluppare organismi industrialmente importanti è continuata fino ad oggi e, utilizzando la tecnologia CRISPR-Cas9, è più veloce che mai. Synthetic Genomica, in collaborazione con la Exxon Mobile, sta sviluppando microalghe modificate con CRISPR con una maggiore produzione di lipidi, che migliorerebbe la produzione di petrolio riducendo potenzialmente le emissioni di CO2 e la dipendenza dai combustibili fossili [24, 25]. PLANTeDit e Toolgen stanno usando CRISPR-Cas9 per progettare colture sostenibili come la soia senza introdurre DNA estraneo [26]. Questo è chiamato editing del genoma senza DNA e anche se le loro colture saranno modificate geneticamente, aggireranno gli ostacoli normativi degli OGM [26].

Le prime aziende ad entrare in studi clinici umani con una terapia basata su CRISPR sono state Terapeutica CRISPR e Vertex Pharmaceuticals nel 2018 [27-29]. CTX001 è un ex vivo terapia in fase di studio per il trattamento della β-talassemia e dell'anemia falciforme [30]. La terapia prevede l'estrazione delle cellule staminali del sangue del paziente, la modifica genica con CRISPR-Cas9 e la reintroduzione delle cellule nel paziente. Anche se la valutazione clinica di CTX001 è ancora presto, i risultati preliminari (presentati questo giugno) hanno mostrato potenziali benefici del trattamento in pazienti con emoglobinopatie [31].

6. Directed Evolution Platforms

Nel 2018, Frances Arnold, George Smith e Gregory Winter hanno ricevuto il premio Nobel per la chimica per le loro ricerche sull'evoluzione diretta di enzimi, peptidi e anticorpi [32]. Le piattaforme di evoluzione diretta comportano tipicamente la generazione di grandi librerie genetiche randomizzate che esprimono varianti del gene di interesse. Queste librerie sono vagliate selezionando quelle varianti proteiche che esibiscono le proprietà desiderate, come l'aumento dell'attività catalitica o del legame con i ligandi. Questo processo viene solitamente ripetuto selezionando ulteriori librerie basate sulle varianti selezionate fino a raggiungere un cut-off di selezione. Un certo numero di terapie a base di proteine sono state sviluppate usando questo processo: Humira (AbbVie), Lumoxiti (MedImmune), e Gamifant (NovImmune) [33].

Una società ha ampliato la tecnologia dell'evoluzione diretta. Carmot Therapeutics, a drug discovery company based in Berkeley, developed the Chemotype Evolution platform to identify novel drugs. During Chemotype Evolution, a set of small molecules are linked to a proprietary fragment collection to generate a library of candidate drugs. The library is screened against a human target and selected candidate drugs are submitted to further rounds of linkage and selection until the candidate drug has evolved into an high-affinity binding molecule [34]. Using Chemotype Evolution, Carmot identified two candidate compounds that are currently in clinical trials [34]. Other companies are using directed evolution to generate microbial platforms. Primordial Genetics, a San Diego-based biotech, is developing a platform that produces large microbial libraries through combinatorial genetics called the Function Generator [35]. Function Generator allows them to select for specific microbes that can potentially address a range of issues, from identifying stress tolerant yeasts for biofuel production to microbes capable of degrading plastics efficiently [35].

7. Microbiome-based Innovations 

Nel 2007, il National Institutes of Health degli Stati Uniti ha lanciato lo Human Microbiome Project (HMP) per fornire supporto finanziario, database di riferimento e altre risorse per la ricerca sul microbioma [36]. Di conseguenza, l'istituzione dell'HMP ha favorito una fioritura della produzione di ricerca insieme a un aumento significativo degli aiuti finanziari [36]. Ciò che è stato prodotto nel corso degli anni sono stati in gran parte strumenti di ricerca computazionali e statistici (a causa degli enormi set di dati che sono stati generati) e un certo numero di aziende di microbioma. Molte di queste aziende si sono concentrate sui trattamenti delle malattie umane, come le soluzioni topiche che ripristinano il microbioma della pelle (AOBiome, [37]) o la somministrazione di farmaci usando i batteri dell'intestino (Blue Turtle Bio, [38]), mentre alcune aziende hanno usato le tecnologie del microbioma in altri modi. Aster Bio developed the Environmental Genomics platform to assist their clients in monitoring liquid waste output and prevent contamination of natural water bodies [39]. The platform profiles waste samples by detecting genetic biomarkers that are specific to key microbes, informs on potential operational issues (such as insufficient ammonia removal), and directs waste water treatment [39]. Sunnyvale-based Floragraph sta anche esaminando i rifiuti, ma intende portare l'analisi del microbioma direttamente a casa [40]. Il loro dispositivo portatile per il microbioma è progettato per i clienti che sono interessati all'automonitoraggio delle malattie croniche o a monitorare la salute degli animali da compagnia analizzando il microbioma da campioni di feci [40]. Anche se non è certo quante persone vorrebbero analizzare la propria cacca a casa, il Floragraph porta portabilità, efficienza dei costi e accessibilità all'analisi del microbioma. Per le applicazioni mediche e di ricerca sul campo, questo dispositivo potrebbe soddisfare il bisogno.

8. DNA Hard Drives

Abbiamo fatto molta strada dai primi tempi dei sistemi di archiviazione elettronica dei dati come il tamburo magnetico e i floppy disk. I progressi tecnologici hanno aumentato la nostra capacità di memorizzazione dei dati di enormi ordini di grandezza, da decine di kilobyte (tamburo magnetico) alla gamma di petabyte (server cloud) [41]. Con questo enorme spazio di archiviazione arriva anche la necessità di un enorme spazio fisico per ospitare le server farm che supportano il cloud. Gli scienziati hanno cercato per la prima volta di utilizzare le molecole di DNA per l'archiviazione dei dati nel 1988, con l'inserimento di 35 bit di uno e zero che codificano un'immagine a 5 per 7 bit quadrati nella E. coli genoma [42, 43]. Da allora, varie istituzioni e società hanno investito i loro sforzi nello sviluppo di sistemi di immagazzinamento dati basati sul DNA, dato che il costo, il consumo di energia e lo spazio sono significativamente ridotti rispetto a quelli del mantenimento di server farm [42]. Notevolmente, si stima che l'immagazzinamento di tutti i dati del mondo si comprimerebbe in appena 1 kg di DNA [42]. Quindi, come si fa a "caricare" le proprie foto o la propria musica nel DNA? Gli scienziati del Università di Washington e Microsoft hanno cercato di affrontare questo problema nel loro studio di prova per un sistema di memorizzazione automatica del DNA [44]. Hanno dimostrato che il loro dispositivo era in grado di codificare un "Ciao" di 5 byte in una sequenza di DNA, sintetizzare, memorizzare, sequenziare il DNA e recuperare "Ciao" [44]. L'intero processo ha richiesto 21 ore e non sarebbe pratico oggi per memorizzare una singola foto. Ma data la velocità con cui queste tecnologie vengono sviluppate, non sarà una sorpresa vederle disponibili in un futuro molto prossimo.

9. DNA Origami 

L'accoppiamento di base dei nucleotidi nel DNA e nell'RNA li rende un materiale biomolecolare attraente con capacità di 'auto-assemblaggio'. Questo è stato dimostrato da vari gruppi a metà degli anni 2000 [45-47], compreso Paul Rothemund che ha presentato un metodo per assemblare il DNA in quadrati bidimensionali, triangoli, facce felici e altre forme [48]. Nel 2017, diversi laboratori di ricerca sono stati in grado di costruire le più grandi nanostrutture di DNA: grandi nanorods, mattoni e piastrelle che si sono uniti per formare enormi strutture con lunghezze che vanno da centinaia di nanometri a oltre un micron [49-51]. Questi studi presentano immagini chiare e tridimensionali delle nanostrutture di DNA, mostrando che gli acidi nucleici possono essere progettati per assemblarsi in qualsiasi numero di strutture con un potenziale di applicazione in medicina, elettronica e biomateriali. Attualmente, l'origami di DNA viene sviluppato per generare piattaforme di consegna di farmaci (Genisphere), nanorobot diagnostici (Nanovery), e nano-tessuti incorporati negli enzimi per applicazioni come la produzione di metaboliti (TessutoNano) [52]. Nanovery’s nanorobots are designed using intelligenza artificiale to detect circulating tumor DNA (ctDNA) [53]. Their diagnostic nanorobot is intended to replace current liquid biopsy tests for ctDNA, which require extensive time and cost. The nanorobot is inserted into a blood sample and if cancerous DNA is detected, lights up within 1-2 hours. As mutations continue to accumulate in cancerous DNA, Nanovery intends to continuously evolve their nanorobots to detect these new mutations [53].

#DNA Origami crea la Monna Lisa più piccola del mondo's: https://t.co/v06eXUt0rU pic.twitter.com/oAR1naVEvW

— Genetic Engineering & Biotecnologia News (@GENbio) 10 dicembre 2017

10. Artificial Intelligence in Medicine

Anche se intelligenza artificiale e apprendimento automatico are not considered biotechnologies, they deserve a mention due to their impact in the medical field. Research interest in AI-based medical applications has grown significantly over the past decade, as shown by the 20-fold increase in relevant publications from 2010 (596 papers) to 2019 (12422) [54]. At the time of writing, there were a little over 70 market approved AI algorithms for medical applications, according to a study conducted by the University of Groningen and the Medical Futurist Institute [54, 55]. A number of these applications use image-based machine learning algorithms for the analysis, diagnosis, or assessment of disease. QuantX di Qlarity Imaging è un aiuto per i radiologi per identificare più rapidamente e accuratamente le macchie anormali sulle immagini di RM del seno [56]. In uno studio clinico che ha valutato la capacità di un radiologo di identificare correttamente le lesioni maligne nelle immagini MRI, i radiologi hanno ottenuto risultati migliori quando hanno usato il software QuantX [57]. L'interesse della ricerca è cresciuto soprattutto per lo sviluppo di robot medici completamente autonomi, che attualmente vengono addestrati per completare compiti molto specifici. Il dispositivo IDx-DR, sviluppato da Diagnostica digitalecattura le immagini della retina per diagnosticare la retinopatia diabetica, una causa di cecità nei pazienti diabetici [58]. Le immagini sono analizzate dalla macchina AI addestrata a rilevare i biomarcatori come i depositi di proteine e gli essudati, e produce un rapporto diagnostico entro 30 secondi. Attualmente sono anche in corso sforzi per sviluppare robot chirurgici completamente autonomi, assistenti medici a domicilio e robot di supporto per la salute mentale.

Riferimenti

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