科研发展动态 | 2021年第11期

发布时间:2021/11/06 04:02:05 文章来源:本站

2021年第11



| 要目 |



— 生命科学 —


1.世界首例:基因编辑后的猪肾脏移植给人类

2.快速筛查技术让“吹口气测新冠”成为可能





—  信息科学  —


1.我国实现超导、光两种物理体系“量子计算优越性”

2.5D光学存储可将500TB数据写入单张光盘




—  材料科学  —


1.科学家3D打印出高强度高塑性钛合金

2.新型纳米发光材料有望用于肿瘤光动力治疗





| 生命科学 |


世界首例:基因编辑后的猪肾脏移植给人类



近日,美国纽约大学朗格尼医学中心科学家Robert Montgomery教授团队首次将基因编辑后的猪肾脏移植给人类。接受猪肾移植的是一位脑死亡的女性,她的家人同意医生在她停止生命迹象之前进行这项异种移植实验。结果表明,移植到人体内的猪肾功能正常且短时间内未发生免疫排斥。

几十年来,科学家们一直梦想着用动物器官来解决可供人类移植的器官短缺问题。猪是异种移植领域的研究热点,猪的心脏瓣膜已在人类身上成功使用了几十年;猪的皮肤移植可用于烧伤治疗;外科医生用猪的角膜来恢复患者视力。但猪的器官移植到人体的过程中依旧存在一个障碍,即猪细胞中一种与人体无关的名为α-Gal的基因会导致免疫系统立即排斥,但本项实验的肾脏来自一只经过基因编辑的猪,通过敲除猪身上这一基因,能避免免疫系统的攻击。通过实验验证了经基因编辑的猪能克服异种器官移植的超急性排斥反应,虽还需解决延迟性排斥反应、消耗性血栓等问题,但这次试验已是猪异种器官移植探索的一个重要里程碑。

微评:猪的器官大小与生理方面的表现与人类很相似,且猪的生长周期较短、繁殖率高,被科学界公认为异种器官移植的理想供体。本研究是解决异种移植超急性排斥反应的重要一步,能更好地推动国内外异种器官移植的临床转化。


快速筛查技术让“吹口气测新冠”成为可能


近日发表于国际学术刊物《呼吸研究杂志》的一篇论文表明,北京大学环境学院要茂盛教授团队与北京市朝阳区疾病预防与控制中心等团队合作,通过集成呼出气采样、气相色谱-离子迁移谱检测和机器学习模型,研发出了针对新冠感染的无创呼出气挥发性有机物组合指纹筛查系统,该系统已经申请了国家发明专利。由于能量消耗方式的变化,新冠感染者呼出气体的化学成分会出现不同。实验表明,新冠患者和其他呼吸系统疾病患者呼出气中丙醇水平相比健康受试者显著升高,而新冠患者呼出气中丙酮水平相比其他呼吸系统感染患者和健康受试者显著降低。研究团队结合不同对照组呼出的气体样品与其背景环境空气进行分析,识别出了12种关键内源性VOCs(挥发性有机物)标志物。这些标志物就是筛查识别新冠感染者独一无二的“指纹”,该“指纹”能使其区别于健康人以及其他呼吸系统疾病的患者。检测中无需任何检测试剂,被试者使用一次性呼吸袋,只要呼气30秒便可完成样品采集。获得呼出气样本后,系统结合支持向量、梯度加速和随机森林三种机器学习算法对12种关键VOCs标志物进行建模,最快能在5-10分钟内实现新冠患者快速筛查。基于现有数据模型,检测的特异性和灵敏度达到了95%以上。相比核酸检测,这种方法不仅简便省时,还十分经济。

微评:疫情防控工作中,许多场所和场景都需要快速筛查,例如重要会议、海关入境、特殊航班、收治医院等。在这些地方,无创呼出气筛查系统有望发挥额外辅助作用,可填补核酸检测在时间和灵敏度方面不足,做到“双保险”,降低新冠传播风险。




| 信息科学 |


我国实现超导、光两种物理体系“量子计算优越性”

近日,中国科学技术大学科研团队在超导量子和光量子两种系统的量子计算方面取得重要进展,成功研制“祖冲之二号”和“九章二号”,使我国成为目前世界上唯一在两种物理体系都实现“量子计算优越性”里程碑的国家。量子优越性是指量子计算机能在某个问题上超越经典计算机,经过研究攻关,中科大潘建伟研究团队与中科院上海技术物理研究所合作构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”,实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解; 同时,潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等组成的光量子计算研究团队构建了113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”,其处理特定问题的速度比超级计算机快亿亿亿倍,并增强了光量子计算原型机的编程计算能力。

微评:量子计算的发展需要依次迈过实现量子优越性、完成实用量子模拟机、开发通用量子计算机三个阶段。量子计算优越性的成功演示标志着量子计算研究进入发展的第二阶段,开始进入实用量子模拟机的量子纠错和近期应用的探索阶段。


5D光学存储可将500TB数据写入单张光盘

据英国《新科学家》杂志近日报道,英国南安普敦大学的于浩磊(音译)及其同事称,他们利用激光将数据写入玻璃内,新方法可以将500TB的数据存储在一张光盘上。改技术使用了与现有光学媒体类似的技术,每飞秒(1万亿分之一秒)都能发出脉冲的激光器会在玻璃上蚀刻出微小的孔。改方法被称为五维(5D)光学数据存储,因为它使用光的偏振和强度这两个光学维度再加上通常的三个空间维度来记录数据。在测试中,研究人员能将6GB数据写入1平方英寸的玻璃上,并以96.3%99.5%的准确率读回数据,借助纠错算法后的准确率可提高到100%。该项技术主要面临的挑战是写入速度,因为每秒只能写入225KB,这意味着写入6GB需要超过6小时。未来如果采用并行写入(多束激光在材料上写入数据),或许能够改进这一点。

微评:虽然该存储方式数据写入速率还远远小于主流存储方式,但未来或可在历史医疗信息、能源勘探资料以及档案馆材料等对读写速率要求不高的场景上得到应用。





| 材料科学 |


科学家3D打印出高强度高塑性钛合金

中国工程院外籍院士、香港城市大学教授刘锦川团队创造性地提出了一种3D打印策略,通过调控熔池中不同粉末的混合程度,研发出一种高强度、高塑性的钛合金。相关研究成果日前发表于《科学》期刊。

一般来说,金属材料中的成分不均匀性往往被视为重大缺陷,是研究人员一直努力避免的,但通过早前的计算模拟研究发现,一定程度上的成分不均匀性有助于制造出独特的异构微观结构,从而提升材料的力学性能。因此,材料的成分不均匀性可以被积极利用,成为有效的合金设计方法。为调控合金内部的成分波动,研究人员采用了3D打印技术,在3D打印过程中,金属粉末会发生快速的熔化和凝固。由于超快的冷却速度,在熔池中产生的成分梯度得以成功保留。基于这种新思路,研究人员通过精心选择的粉末种类以及特殊的打印参数,实现了可调控的微米级成分梯度。这种微米级成分梯度不仅带来了材料的相稳定性以及微观组织在空间上的调制,还提高了钛合金的力学性能。

微评:本研究将3D打印蕴含的独特物理过程与成分调制的概念相结合,可能成为材料开发的一种新模式。



新型纳米发光材料有望用于肿瘤光动力治疗

近日,中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员降雨强研究组与北京大学基础医学院教授沙印林课题组合作,设计合成了一种新型纳米发光材料。基于该类金纳米簇的双光子动力疗法具有空间选择性高、安全、高效及不需要避光期等优点,在肿瘤治疗尤其是脑胶质瘤、实体瘤治疗等方面具有很好的临床转化前景。相关研究成果已申请发明专利,并在线发表于《美国化学学会纳米》上。肿瘤光动力疗法是利用靶向肿瘤的光敏剂,在激光照射下生成大量活性氧自由基,以摧毁肿瘤组织。研究人员设计合成一种以二氢硫辛酸为配体的金纳米簇,在光照下具有很强的产生自由基的特性,对肿瘤细胞和组织具有非常好的杀伤作用,是一种性能优异的光动力治疗光敏剂,其疗效远优于临床使用的艾拉光敏剂。

此次合成的新材料具有优异的双光子性质,其双光子吸收截面高,可采用近红外激光激发,有效增加照射深度,同时该材料具有良好的生物相容性,治疗过程不需要避光,使得临床可操控性大大提高。

微评:与放化疗等肿瘤常规治疗方法相比,光动力疗法具有空间选择性高、不易产生耐药性、系统毒副作用低等特点。新型光敏剂的发现将极大推动光动力学治疗肿瘤的临床应用。