中國工程院圈點醫(yī)學(xué)工程探索前沿

文/本刊記者 陳相龍

《全球工程前沿2019》報告發(fā)布會如期舉行，其中醫(yī)藥衛(wèi)生工程研究獲得極高期待率。

2019年12月10日，中國工程院戰(zhàn)略咨詢中心聯(lián)合科睿唯安以及高等教育出版社等多家機(jī)構(gòu)，在中國工程院學(xué)術(shù)報告廳發(fā)布《全球工程前沿2019》報告。中國工程院副院長、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院院校長王辰參加報告發(fā)布會。

這一最新報告從不同學(xué)科方向遴選，最終確定2019年度全球工程研究前沿93項和工程開發(fā)前沿94項，并對其中關(guān)鍵的28項研究前沿和28項開發(fā)前沿進(jìn)行了詳細(xì)剖析。

在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域，這一報告主要聚焦醫(yī)學(xué)技術(shù)開發(fā)前沿和未來醫(yī)學(xué)技術(shù)研究方向兩大板塊，分別挖掘出十大前沿領(lǐng)域。

當(dāng)日，中國工程院院士、北京積水潭醫(yī)院院長田偉受邀進(jìn)行主題演講，重點介紹了人工智能在生物醫(yī)藥的應(yīng)用。這一領(lǐng)域正是當(dāng)前醫(yī)學(xué)工程研究最熱門的前沿方向之一。

醫(yī)學(xué)工程開發(fā)前沿TOP10

“有時治愈，常常幫助”是現(xiàn)階段的醫(yī)學(xué)目標(biāo)。目前的人類醫(yī)學(xué)或許還不能逆轉(zhuǎn)疾病的進(jìn)程，但是在未來數(shù)年內(nèi)，達(dá)到醫(yī)治大部分疾病是充滿希望的。為此，醫(yī)藥衛(wèi)生學(xué)部研判的TOP10工程開發(fā)前沿技術(shù)來了。

1 腫瘤免疫治療技術(shù)

此技術(shù)是應(yīng)用免疫學(xué)的原理和方法，通過激發(fā)和增強(qiáng)機(jī)體抗腫瘤免疫應(yīng)答來治療癌癥的一類方法，可顯著改善患者的生存質(zhì)量并延長生存期。主要包括癌癥疫苗、特異性單克隆抗體靶向療法、細(xì)胞因子療法、免疫檢查點抑制劑和過繼性細(xì)胞療法等。

2 智能輔助診斷技術(shù)

此技術(shù)由計算機(jī)在臨床診斷中提供輔助病情分析，幫助醫(yī)生更充分地利用多方面信息，提升診斷質(zhì)量和診療效率。近年來，世界各國在醫(yī)學(xué)人工智能領(lǐng)域的投資呈現(xiàn)出快速上漲的態(tài)勢，國內(nèi)的智能輔助診斷相關(guān)行業(yè)也迅速崛起，2017年行業(yè)產(chǎn)值已經(jīng)達(dá)到113億元以上，增長40.7%；2018年有望突破200億元。

3 基因編輯技術(shù)

目前，基因編輯技術(shù)已廣泛應(yīng)用于動物模型的構(gòu)建、新藥靶點的篩選、動植物育種等方面，并逐步從實驗室走入臨床，應(yīng)用于抗病毒治療、CAR-T細(xì)胞治療、血液疾病治療等。自2012年CRISPR/Cas被發(fā)現(xiàn)以來，基因編輯領(lǐng)域如同打開了閥門一般，科學(xué)研究領(lǐng)域的文章呈井噴式發(fā)表，它有巨大的市場應(yīng)用前景，特別是在臨床應(yīng)用領(lǐng)域。

4 基于基因組學(xué)大數(shù)據(jù)疾病預(yù)測與干預(yù)技術(shù)

此技術(shù)是以人類基因組、轉(zhuǎn)錄組、表觀組和代謝組數(shù)據(jù)為代表的多層次、高緯度數(shù)據(jù)。近年來，二代和三代測序技術(shù)的快速發(fā)展使得基因組學(xué)大數(shù)據(jù)呈爆發(fā)式增長并為疾病的研究帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。中國目前已開展了眾多針對中國人群的基因組學(xué)大數(shù)據(jù)研究。未來，隨著測序技術(shù)的發(fā)展和研究的深入，基因組學(xué)大數(shù)據(jù)將會在疾病的預(yù)測和干預(yù)中發(fā)揮越來越重要的作用。

表1 醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域Top10 工程開發(fā)前沿

5 腦機(jī)接口技術(shù)

此技術(shù)旨在通過檢測中樞神經(jīng)系統(tǒng)活動并建起轉(zhuǎn)化為人工輸出，來替代、修復(fù)、增強(qiáng)、補(bǔ)充或者改善中樞神經(jīng)系統(tǒng)的正常輸出，從而改變中樞神經(jīng)系統(tǒng)與內(nèi)外環(huán)境之間的交互作用。腦機(jī)接口技術(shù)在諸如中風(fēng)、注意力缺陷等腦損傷或其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者的臨床康復(fù)中表現(xiàn)出色，為高位截癱、肌萎縮性側(cè)索硬化癥等運動功能障礙患者提供新的運動功能替代方案，為情緒、疲勞、意識狀態(tài)等檢測和識別提供客觀指標(biāo)。

6 智能可穿戴健康輔助設(shè)備

據(jù)預(yù)測，到2020年前后全球可穿戴設(shè)備將達(dá)到60億美元的市場規(guī)模，數(shù)目也將比上一年增長15.3%，達(dá)到19850萬臺。未來智能可穿戴檢測設(shè)備將會蓬勃發(fā)展：產(chǎn)品功能更加聚焦，個人數(shù)據(jù)更加完善，用戶體驗更加良好，遠(yuǎn)程醫(yī)療更加普及，在顯著降低醫(yī)療成本的同時，提升醫(yī)療的普及程度、覆蓋范圍與專業(yè)化水準(zhǔn)，最終達(dá)到疾病預(yù)防的目的，從而推進(jìn)大眾健康。

7 基于干細(xì)胞的組織重建與器官重塑技術(shù)

該技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步推動人類對生命發(fā)育過程、正常組織器官功能維持、疾病發(fā)生與發(fā)展、組織器官再生與功能重建的深入探索與認(rèn)識；從多維度模擬并仿生制備組織與器官，從成分仿生、結(jié)構(gòu)仿生，到功能重建，實現(xiàn)組織器官重建，實現(xiàn)從基礎(chǔ)向人體應(yīng)用的轉(zhuǎn)化；為人類健康提供新技術(shù)、新方法與新產(chǎn)品；為提升與改善患者生活質(zhì)量、延長健康壽命提供可行性途徑；為組織工程與再生醫(yī)學(xué)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)大的支撐。

表2 醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域Top10 工程研究前沿

8 人源化動物模型技術(shù)

在實驗動物體內(nèi)實現(xiàn)特定人類細(xì)胞或組織器官的長期穩(wěn)定生長與分化，可用于高度模擬人類組織器官的生理功能和相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展過程，為疾病的相關(guān)基礎(chǔ)和防治等研究提供重要支持。人源化動物模型可在盡可能接近于人體自然的狀態(tài)下實現(xiàn)對人類重要疾病過程的多維度多模態(tài)模擬，并開展相關(guān)新型藥物或者防治方法的篩選與評價研究，特別是在具有嚴(yán)格人類種屬特異性的疾病或病原體研究中具有不可替代的優(yōu)越性。

9 單細(xì)胞分析技術(shù)

自2009年以來，單細(xì)胞分析實現(xiàn)了從一個細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析拓展到同時對幾萬個甚至上百萬個細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組、基因組、代謝中間產(chǎn)物、細(xì)胞表面抗原分子等多層面組學(xué)分析。這些技術(shù)突破使得繪制人類與各種模式生物體內(nèi)所有細(xì)胞圖譜成為可能。在未來的10年里，單細(xì)胞分析技術(shù)有望推動構(gòu)建人類所有重大疾病細(xì)胞圖譜，深化對個體內(nèi)病變細(xì)胞類型、數(shù)量以及對藥物敏感異質(zhì)性的認(rèn)識，從而成為臨床精確診斷、個性化治療和靶向治療的重要基礎(chǔ)。

1 0 組織再生修復(fù)材料

目前，組織再生修復(fù)材料已成功應(yīng)用于皮膚、血管、角膜、骨、軟骨以及口腔軟、硬組織等缺損的再生修復(fù)中。此外，結(jié)合數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)和3D打印技術(shù)，組織再生修復(fù)材料還可用于缺損的個性化精準(zhǔn)治療。據(jù)預(yù)測，全球再生醫(yī)學(xué)的市場規(guī)模將從2018年的100.7億美元，增長到2025年的489.7億美元，復(fù)合年增長率為25.4%。

醫(yī)學(xué)工程研究前沿TOP10

科技的飛速發(fā)展正在改變?nèi)祟惖纳罘绞剑t(yī)療領(lǐng)域也一直在孕育顛覆性的革命。為此，醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域組研判的TOP10工程研究前沿聚焦未來醫(yī)療，謀求突破發(fā)展。

1 人工智能在生物醫(yī)藥的應(yīng)用研究

此研究是運用人工智能技術(shù)，開展醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)（包括影像、圖譜、病歷，及其他醫(yī)學(xué)傳感信息）驅(qū)動下的健康篩查與預(yù)警、疾病診斷與治療、康復(fù)訓(xùn)練與評估、醫(yī)療服務(wù)與管理、藥物篩查與評估、基因測序與表型等典型生物醫(yī)藥領(lǐng)域的精準(zhǔn)、智能、安全應(yīng)用研究?？傮w來看，人工智能在生物醫(yī)藥的應(yīng)用研究正在通過彌補(bǔ)人類能力短板的智能輔助形式，推動醫(yī)療技術(shù)進(jìn)入一個新的時代，促進(jìn)醫(yī)療健康進(jìn)入量化分析、個體化規(guī)劃以及實時監(jiān)控的新階段。

2 腸道微生態(tài)和穩(wěn)定免疫

近年來，大量研究表明，腸道微生態(tài)在感染、肝病、代謝性疾病、自身免疫病、腫瘤、大腦和神經(jīng)精神系統(tǒng)等疾病中具有關(guān)鍵作用，已經(jīng)成為攻克重大疾病發(fā)病機(jī)制難題的突破口。調(diào)控腸道微生態(tài)不但可以直接治療或輔助治療感染、肝病、代謝性疾病、自身免疫病和腫瘤等疾病，而且能夠改善大多數(shù)疾病發(fā)生發(fā)展和治療中造成的微生態(tài)破壞及其相應(yīng)的健康損害，促進(jìn)康復(fù)。

3 腦科學(xué)的神經(jīng)計算和類腦智能研究

通過定量分析、計算模型和構(gòu)建受腦啟發(fā)的隨機(jī)計算方法，深入研究神經(jīng)系統(tǒng)的原理和動力學(xué)，破譯大腦信息處理與神經(jīng)編碼的原理，解碼大腦工作原理，同時，在上述研究基礎(chǔ)上，通過信息技術(shù)予以參照、模擬和逆向工程，模擬大腦高級認(rèn)知功能機(jī)理，發(fā)展類腦智能算法，形成以“類腦智能引領(lǐng)人工智能發(fā)展”為標(biāo)志的新一代人工智能通用模型與算法、類腦芯片器件和類腦智能各類工程技術(shù)應(yīng)用等新型研究領(lǐng)域。包含以下兩個方向：一方面涵蓋了對大腦運算本質(zhì)的神經(jīng)生物學(xué)研究；另一方面，通過計算方法解碼大腦智能原理，創(chuàng)建新的智能技術(shù)，將廣泛覆蓋人工智能相關(guān)的各個領(lǐng)域。

4 類器官芯片及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究

主要目標(biāo)是在微流控芯片上將具有干細(xì)胞潛能的細(xì)胞培養(yǎng)形成細(xì)胞團(tuán)，模擬、研究并控制細(xì)胞在體外培養(yǎng)過程中的自我更新、自我組裝等生物學(xué)行為，進(jìn)而表現(xiàn)出與來源組織相似的空間結(jié)構(gòu)，并在芯片上再現(xiàn)器官的部分關(guān)鍵功能，從而實現(xiàn)藥物篩選評價、遺傳疾病建模、細(xì)胞治療等多領(lǐng)域的應(yīng)用。

5 腫瘤免疫治療

腫瘤免疫治療是通過重新啟動腫瘤特異性免疫應(yīng)答，恢復(fù)機(jī)體正常的抗腫瘤免疫系統(tǒng)活性，從而控制與清除腫瘤的治療方法。具有三大特點，包括適應(yīng)證不斷擴(kuò)大，尋找精準(zhǔn)受益人群，聯(lián)合治療趨勢明顯。目前，腫瘤免疫治療在黑色素瘤、肺癌、結(jié)直腸癌等惡性腫瘤的治療中都已經(jīng)取得重大突破。

6 個體化腫瘤治療疫苗

此疫苗的關(guān)鍵技術(shù)是發(fā)現(xiàn)和篩選新抗原，其核心是用于預(yù)測新抗原和人類白細(xì)胞抗原（HLA）結(jié)合力的算法。目前，國內(nèi)已有多家研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)布局個體化腫瘤治療性疫苗。未來個體化腫瘤治療性疫苗的發(fā)展方向主要在于加深對腫瘤免疫機(jī)制認(rèn)識、優(yōu)化篩選新抗原的算法、發(fā)展臨床前腫瘤模型、縮短疫苗生產(chǎn)周期和發(fā)展結(jié)合療法，等等。

7 干細(xì)胞在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究

此研究目的在于修復(fù)病變或缺損的細(xì)胞、組織或器官，主要依賴于種子細(xì)胞，尤其是干細(xì)胞?；诟杉?xì)胞治療的再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展有可能為醫(yī)學(xué)的發(fā)展帶來新的革命，并為傳統(tǒng)醫(yī)療方法無法治療或治愈的疾病帶來新的希望。進(jìn)一步激活科研院所、醫(yī)療機(jī)構(gòu)和醫(yī)藥企業(yè)之間的合作，政府政策制定部門推動干細(xì)胞產(chǎn)業(yè)布局，將會是推動干細(xì)胞在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用向前邁進(jìn)的關(guān)鍵之舉。

8 腫瘤微環(huán)境代謝異質(zhì)性與相互作用

腫瘤細(xì)胞、間質(zhì)細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)等共同構(gòu)成的局部環(huán)境的代謝不均勻性及其復(fù)雜性，具有低氧、低pH和局部營養(yǎng)缺乏等特點。腫瘤細(xì)胞與微環(huán)境中的細(xì)胞成分（成纖維細(xì)胞、免疫和炎性細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞等）和非細(xì)胞成分（包括細(xì)胞外基質(zhì)、細(xì)胞因子、補(bǔ)體等）發(fā)生相互作用，協(xié)同促進(jìn)腫瘤發(fā)生發(fā)展。

9 單細(xì)胞測序與疾病診斷

此診斷通過對單個或是少量細(xì)胞的基因組、轉(zhuǎn)錄組或表觀組進(jìn)行測序、分析，進(jìn)而進(jìn)行疾病診斷及指導(dǎo)治療策略的技術(shù)。適用于細(xì)胞量較少（如生殖細(xì)胞及早期胚胎、循環(huán)腫瘤細(xì)胞）以及組織細(xì)胞異質(zhì)性較大（如卵巢或子宮組織、腫瘤組織）情況下的精確診斷及用藥指導(dǎo)。此技術(shù)在腫瘤免疫微環(huán)境及免疫治療方面可實現(xiàn)對藥物和治療方案的選擇。

10 3D 打印技術(shù)在再生醫(yī)學(xué)的應(yīng)用研究

利用3D打印技術(shù)制備出與患者生理結(jié)構(gòu)和功能相匹配的組織或器官，從而達(dá)到替代和重建器官功能的目的。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，3D打印在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)經(jīng)歷了從單種細(xì)胞打印到多種細(xì)胞打印，并逐步向組織和類器官打印邁進(jìn)。通過進(jìn)一步研究與發(fā)展后，3D打印技術(shù)應(yīng)提供具有適當(dāng)解剖結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、生物學(xué)功能的個性化再生醫(yī)學(xué)產(chǎn)品，從而真正實現(xiàn)組織與器官在結(jié)構(gòu)與功能上的精準(zhǔn)再生，為再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供足夠的物質(zhì)和理論保證。