麻省理工科技評論評選的14大醫(yī)療領域突破科技（下） - 全文

　　《麻省理工科技評論》從2001年開始，每年都會公布“10大突破技術”，即TR10（Technology Review 10），并預測其大規(guī)模商業(yè)化的潛力，以及對人類生活和社會的重大影響。

　　這些技術代表了當前世界科技的發(fā)展前沿和未來發(fā)展方向，集中反映了近年來世界科技發(fā)展的新特點和新趨勢，將引領面向未來的研究方向。其中許多技術已經走向市場，主導著產業(yè)技術的發(fā)展，極大地推動了經濟社會發(fā)展和科技創(chuàng)新。

　　正如《麻省理工科技評論》主編JasonPontin所說，突破性技術的定義非常簡單，那就是能夠給人們帶來高質量運用科技的解決方案。有些技術是工程師們天才創(chuàng)意的結晶；而有的則是科學家們對長期困擾他們的問題所采取的諸多嘗試的集大成者（比如深度學習）。評選“10大突破技術”的目的不僅僅是向人們展示新創(chuàng)新成果，同時也是為了強調是人類的聰明才智促生了這些創(chuàng)新技術。

　　因此動脈網將為你篩選從2012年~2016年的醫(yī)學領域的科技突破。由于技術更迭快，因此只梳理最近5年之內的。鑒于文章篇幅太長，將分為上下兩篇，在《麻省理工科技評論評選的14大醫(yī)療領域突破科技（上）》中我們已經介紹七種近五年醫(yī)學領域的科技突破，本文為下篇。這些技術是為解決問題而生，將會極大地擴展人類的潛能，也有可能改變世界的面貌，值得在未來給予特別關注。

　　8.神經形態(tài)芯片（2014）

　　神經形態(tài)芯片可以直接模擬大腦的行為

　　配置了微處理器的芯片比傳統(tǒng)芯片更像大腦，它模擬了人腦工作的狀態(tài)

　　成熟期：還未有重大突破

　　突破點：電腦芯片的一種替代設計，能夠實時模擬大腦處理信息的過程，有助于科學家們制造出能同周圍環(huán)境實時交互的認知系統(tǒng)，促進人工智能技術發(fā)展

　　重要性：傳統(tǒng)芯片已經達到性能極限。

　　該領域主要參與者：高通（Qualcomm），IBM，HRL實驗室（HRL Laboratories），人類腦計劃（Human Brain Project）

　　神經形態(tài)芯片的概念，要回溯到幾十年前。1990 年，加州理工學院名譽教授 Carver Mead 在一篇論文中給出了它的定義。不過，自從高通開發(fā)了一個叫做“先鋒”的機器人開始，才被熟知。先鋒機器人使用的只是一個智能手機芯片，它模擬了人腦工作的狀態(tài)，運行了特制的軟件而已，它能識別此前未見過的物體，根據相關物體的相似性來分類，將不同的物品放在房間的正確位置。

　　人腦有幾十億神經元、幾千億個突觸，可以同步處理視覺、音頻等信號，神經形態(tài)芯片在芯片中模擬人腦同步處理多種數據的能力。根據圖像、聲音或其他信號的變化，神經元可以改變與其他神經元之間的聯系。所以說，這些神經形態(tài)芯片模擬的是人腦的神經網絡，可以實現人腦的部分功能。它們實現了人工智能領域需要幾十年才能完成的任務，讓機器可以像人一樣理解世界、與世界互動。

　　一些大學和研究機構也在試圖實現這些功能，比如說 IBM 實驗室和 HRL 實驗室。這兩家已經花了 1 億美元來為美國國防部高級研究項目局研發(fā)神經形態(tài)芯片。此外，歐洲人腦項目聯合海德堡大學和曼徹斯特大學的研究者也花了 1 億歐元來研究神經形態(tài)項目。根據 IBM 實驗室的研究員 Dharmendra Modha 的描述，這種芯片可以讓盲人通過視覺和音頻傳感器來識別物體，提供音頻提示；健康監(jiān)測系統(tǒng)可以檢測生命體征，及早發(fā)現潛在的風險，為病人提供個性化的治療手段。醫(yī)療傳感器和設備可以追蹤病人的生命體征，根據時間采取醫(yī)療對策，學會調整藥量，甚至可以及早發(fā)現病情。

　　在成本上，高通公司希望產品設計實用性大于性能表現。這也就意味著高通的神經形態(tài)芯片依舊是在數字芯片上開發(fā)的，這樣做比研發(fā)模擬芯片更簡單，生產更容易。模擬芯片要完成的模擬大腦，而高通的芯片模擬的是大腦的行為。比如，神經形態(tài)芯片編程、傳輸數據的方式模擬大腦處理感官數據處理時的電子脈沖。多年來，科學家們一直在嘗試進一步探究神經形態(tài)的電路架構，其中的難點就在于如何處理神經元和硅之間的重疊部分——突觸以及邏輯門，甚至采用石墨烯等特殊材料來解決這一問題，產品離完全商用還需要時日。

　　9.微型3D打?。?014）

　　微型3D打印的目標是打印出生物組織

　　用不同類型材料打印生物零件，大大擴展了打印范圍

　　成熟期：尚不成熟

　　突破點： 使用多種材料來打印東西，例如用生物組織打印血管

　　重要性：促進人造器官和新穎的半機器零件產生

　　該領域主要參與者：Jennifer Lewis（哈佛大學），Michael McAlpine（普林斯頓大學），Keith Martin（劍橋大學）

　　3D 打印概念現在看來已經很普通，而且打印的材料也僅限于塑料或者合成金屬等常見材料，但是如果能夠打印細胞、半導體或者其他生物組織，應用寬度又不一樣了。

　　哈佛大學的材料科學家 Jennifer Lewis 是這個行業(yè)的領頭羊，研究微型3D打印的機制和方法，將物體的功能和形狀有效結合在一起。Lewis 和她的學生向外界展示了他們的技術可以打印極小的電極以及微小鋰離子電池需要的組件，還可以打印運動員用的塑料貼片，上面包含了多種傳感器，可以檢測腦震蕩，測量其危害程度。令人震撼的是，她的團隊打印出了包含復雜血管的生物組織。為了完成這一目標，需要研制出多種類型的細胞“墨水”，以及支撐組織矩陣的基質材料。該技術成功解決了制造用于藥物臨床測試或人體器官移植的人工組織的一大難題：如何讓血管系統(tǒng)中的細胞存活下來。

　　普林斯頓大學的研究團隊成功地打印出了仿生耳朵，結合了生物組織和電子部件；劍橋大學的研究者也打印出了用視網膜細胞組成的復雜眼球組織。那么，到底能夠打印多么微小的生物組織呢？Lewis 團隊安裝了一臺配有顯微鏡的3-D打印機，可以精確打印尺寸小至1微米的結構（人體紅細胞約10 微米），這對材料要求也提出挑戰(zhàn)，比如細胞在被迫通過印刷噴嘴時是脆弱的并且容易被破壞。 她創(chuàng)造的秘密在于具有允許它們在相同的制造過程中都能被“墨水”打印，每種“墨水”都是不同的材料，但是它們都可以在室溫下印刷，而且在壓力下從噴嘴噴出時，始終能保持一定形狀，有點類似擠牙膏。

　　在還沒有加入哈佛大學之前，Lewis 在伊利諾伊大學研究 3D 打印技術就已經超過 10 年了，她曾經用過陶瓷、金屬納米顆粒、聚合物以及其他非生物材料。能在 3D 打印的人體組織中加入血管是制造人造器官的重要一步。不過很顯然，跟細胞打交道真的很復雜，我們離3D打印出功能正常的肝臟或者腎臟，還相距甚遠。

　　10.液體活檢（2015）

　　液體活檢測可以幫助某些癌癥的早期篩選

　　快速的DNA測序，應用于癌癥的簡單血液測試

　　成熟期：廣泛應用

　　突破點：血液測試發(fā)現早期癌癥

　　重要性：癌癥每年在世界各地殺死大約800萬人

　　該領域主要參與者：香港中文大學盧煜明、Illumina、約翰·霍普金斯伯特·沃格爾斯坦（Bert Vogelstein）

　　盧煜明教授是與無創(chuàng)產前診斷聯系在一起的，早在1997年，他的研究小組發(fā)現孕婦血漿中存在游離的胎兒DNA，后來直接產生了簡單的唐氏綜合癥檢測方法。不僅如此，盧教授正在與世界各地的實驗室以及醫(yī)療機構競爭，比如約翰·霍普金斯大學，開發(fā)基于簡單血液檢測的癌癥（比如患病最多的肺癌，40％的中國肺癌患者在一個基因突變EGFR，這將使他們有機會獲得新的靶向藥物）篩查技術，即液體活檢。

　　雖然目前通過DNA檢測預測患癌的風險成本依然很高，但隨著測序技術的不斷發(fā)展，能夠快速解碼數百萬在血液中松散的DNA短片段，通過與人類基因組的參考圖譜進行比較，癌癥早期篩查將會變得更加簡單、便宜、應用范圍更加廣泛。液體活檢的商業(yè)利益最近也呈爆炸式的增長。測序巨頭Illumina的CEO Jay Flatley表示，液體活檢的市場規(guī)模至少達400億美元。他說這項技術可能是癌癥診斷領域最激動人心的突破，并表示Illumina將開始向研究人員提供液體活檢試劑盒，幫助尋找癌癥的早期癥狀。

　　此外，除了用于癌癥篩查（目前并不通用于任何癌癥），液體活檢還可用于幫助人們對抗疾病。醫(yī)生可以根據驅動癌癥發(fā)展的特定DNA突變選擇對應的藥物和治療方案。癌癥病因相當復雜，研究人員必須系統(tǒng)性的了解他們的病例，這樣液體活檢才能真正的拯救生命。液體活檢現在已經被廣泛地運用了，尤其是癌癥檢測之中，但它們對于提高檢測質量和療效的作用目前尚不明確。

　　11.大腦類器官（2015）

　　利用大腦類器官研究導致精神分裂癥、自閉癥和癲癇等疾病的原因

　　人類腦細胞培養(yǎng)的新方法可以揭開癡呆、精神疾病和其他神經系統(tǒng)疾病的奧秘

　　成熟期：不成熟

　　突破點：人類干細胞的活體神經元簇，可以在實驗室培養(yǎng)

　　重要性：研究人員需要新的方法來理解腦疾病和測試可能的治療方法

　　該領域主要參與者：Madeline Lancaster and Jürgen Knoblich（Institute of Molecular Biotechnology、Rudolph Tanzi and Doo Yeon Kim（馬薩諸塞州綜合醫(yī)院）

　　實驗室培養(yǎng)的腦細胞組織已經很接近在妊娠初期人類胚胎腦細胞的形態(tài)了，這為理解大腦的復雜與測試新的治療方法提供了思路。腦細胞可以從皮膚細胞培養(yǎng)，并且能用于研究老年癡呆癥，精神分裂癥和癲癇。

　　在這個行業(yè)的典型代表是Institute of Molecular Biotechnology的Madeline Lancaster，她從成年人采取了單個皮膚細胞，通過正確的生化刺激，該細胞可以變成誘導多能干細胞，然后變成神經元?，F在科學家可以直接看到活的人類大腦細胞如何發(fā)展和工作，以及它們如何受到各種藥物化合物刺激或基因修飾的影響。因為這些特定腦細胞直接從干細胞培養(yǎng)成，這樣就可以幫助探尋與腦部病變有關的疾病，比如阿爾茨海默病的人的神經元到底出了什么問題。

　　早在2013年，發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究中，奧地利科學家成功利用干細胞培育出“大腦類器官”。這些類器官的構成與一個9周或10周大的胚胎的大腦類似。研究人員利用類器官這個模型對神經發(fā)育疾病小頭畸形進行研究，他們利用一名患有遺傳性小頭畸形的患者身上提取的細胞培育一些類器官，而后將其與利用健康參與者的細胞培育的迷你大腦進行比較。在利用小頭畸形患者細胞培育的類器官中，轉化成神經細胞的干細胞數量超過利用健康參與者細胞培育的迷你大腦，最后得出結論，發(fā)現小頭畸形患者的神經細胞過早分化，可能就是這種疾病背后的機制。

　　這項技術為理解神經元是如何生長和發(fā)揮作用打開了新的窗口，也更加有助于人們理解大腦的基礎活動。目前研究人員正在使用“大腦類器官”研究導致精神分裂癥、自閉癥和癲癇等疾病的原因。

　　12.DNA互聯網（2015）

　　上網搜索DNA數據庫，未來將非常方便

　　數百萬基因組的全球網絡可能是醫(yī)學的下一個偉大的進步

　　成熟期：不成熟

　　突破點：使DNA數據庫共通的技術標準

　　重要性：數百萬其他人的經驗將輔助你的醫(yī)療方案

　　該領域主要參與者：Global Alliance for Genomics and Health、谷歌、Personal Genome Project

　　在技術上，測試人的DNA信息目前已經非常成熟，成本也在逐年下降。全球數百萬的基因組網絡將可能成為醫(yī)學領域的下一個偉大進步。但是這究竟能否實現，主要看看人是否愿意分享自己的DNA數據。DNA搭上互聯網的好處是，比如癌癥患者，未來醫(yī)生可以根據你的DNA測序結果了解是哪種突變引起了癌癥的發(fā)生。然后在DNA互聯網上搜索擁有相同突變的患者，根據他們的用藥記錄，輔助醫(yī)生做出更好的治療決策。

　　全球基因組學和健康聯盟（Global Alliance for Genomics and Health，GAGH）成立于2013年，是一個由醫(yī)療機構、大學和公司等組成的聯盟組織，成立的宗旨是促進遺傳數據的共享。對該組織而言，目前面臨的最大困難不是技術問題，而是社會問題。一方面，科學家拒絕分享遺傳數據，另一方面，把一個人的基因組信息放到互聯網上也涉及到隱私問題。Haussler是全球基因組學和健康聯盟（Global Alliance for Genomics and Health，GAGH）的創(chuàng)始人和技術領導者之一。目前，Haussler和聯盟的其他成員正在努力解決這一難題問題。

　　另外一個問題就是互聯網。加州大學生物信息學專家David Haussler說，建立DNA互聯網面臨的一大問題是，基因組測序很大程度上脫離了信息共享最便捷的工具——互聯網。這是非常無奈的。當時，已經有超過20萬的人進行了全基因組測序，這個數字在未來幾年肯定會大幅上升。未來醫(yī)學的進步取決于對這些基因組數據進行大規(guī)模的比對，但是從現在數據的共享程度來看，許多科學家并沒有為這一點做好準備。

　　13.免疫工程（2016）

　　免疫工程為癌癥的治療提供了新的思路

　　經過基因改造的免疫細胞正在拯救癌癥病人的生命，而這只是開始

　　成熟期：1-2年

　　突破點：經過基因改造的T細胞能夠治療癌癥

　　重要性：通過改造免疫系統(tǒng)，癌癥、多發(fā)性硬化癥和艾滋病等疾病統(tǒng)統(tǒng)可以治愈

　　該領域主要參與者：Cellectis、Juno Therapeutics、諾華制藥

　　人類免疫系統(tǒng)被稱為大自然的“大規(guī)模殺傷性武器”。它擁有十余種主要細胞類型，其中包括多種T細胞。它會抵御從未見過的病毒，抑制癌癥（盡管并非總是如此），而最主要的，是避免傷及自己的身體組織。它甚至還有記憶功能，而這也是疫苗接種的依據。

　　T細胞被稱為免疫系統(tǒng)中的“殺手細胞”，它們能夠在人體內四處移動、能夠進行感知探測、并能夠殺死其他細胞?？茖W家們將其從一個人的血液中提取出來，加入新的DNA指令，從而令其能夠攻擊腫瘤細胞，同時還采用基因編輯方式刪除T細胞用以探測外來分子的受體，使其不至于攻擊 “非來自自體”的好細胞。當然關于腫瘤細胞和免疫系統(tǒng)之間的對抗關系，雖然不斷有新的發(fā)現，但是依然沒有完全掌握，比如有關巨噬細胞的免疫能力新發(fā)現等。

　　100多年前，美國外科醫(yī)生威廉·科萊（William Coley）注意到，有時候意外感染會讓腫瘤消失。隨后，科萊將鏈球菌培養(yǎng)基注入到癌癥患者體內，發(fā)現在部分病例中出現了腫瘤收縮的狀況。1893年發(fā)表的這一發(fā)現表明，免疫系統(tǒng)是可以對抗癌癥的。基于過去幾十年的研究工作，研究人員已經發(fā)現了很多重要細節(jié)，包括T細胞如何識別和殺滅入侵者等。透過顯微鏡，我們可以看到這些細胞會展現出類似于動物的行為：爬行，探查，然后抓住另一個細胞，向其注入中毒性顆粒。加利福尼亞大學舊金山分校合成生物學家溫德爾·利姆（Wendell Lim）說，“免疫細胞會同其他細胞對話，會釋放毒物，可改變微環(huán)境，具有記憶功能，并可實現自我增殖?！?/p>

　　不過這并不代表免疫治療就是萬無一失的，比如將T細胞靶向到肝、肺或腦的腫瘤中是非常危險的，而且到目前為止，還沒有出現僅攻擊癌細胞的輕松方法。目前世界上已有十幾家醫(yī)藥公司和生物技術企業(yè)，正在努力將這項療法帶入市場。經過基因改造的T細胞，將為糖尿病多發(fā)性硬化癥和紅斑狼瘡等自身免疫系統(tǒng)疾病，以及艾滋病等各種傳染性疾病帶來新生希望。

　　當然在資本市場今年出現了好幾筆大額投資，恐怕再也沒有其他行業(yè)如此熱門了。比如今年1月，朱諾治療以1.25億美元的價格收購專注于單T細胞DNA測序的波士頓公司AbVitro。制藥公司輝瑞（Pfizer）和施維雅（Servier）宣布它們將以4000萬美元的價格收購賽萊克蒂斯開發(fā)的T細胞療法。

　　14.DNA應用商店（2016）

　　DNA應用商店，包含個人基因數據

　　有了包含個人基因信息的在線商店，你可以更容易了解有關自己所面臨的健康風險和患病傾向

　　成熟期：今年進入成熟期

　　突破點：DNA測序的一種全新商業(yè)模式，將使基因信息可在網上廣泛獲取

　　重要性：一個人的基因決定了相當多的東西，包括罹患某種特定疾病的可能性

　　該領域主要參與者：Helix、Illumina、Veritas Genetics

　　如果能有一個專門用于存儲個人基因庫的在線商店，那么人們就能更好的掌握目前所面臨的健康風險和疾病傾向，而這項技術在今年就能成熟。我們的基因組中存儲著關于潛在健康風險和身體特征的所有信息。然而目前除了血液測試能夠提供有限的遺傳信息外，并沒有什么方法來存儲DNA數據。

　　位于舊金山的Helix公司將推出全球首個面向大眾市場的基因信息應用商店。該公司收集客戶的唾液樣本，對客戶基因進行測序和分析，然后將結果數據化，客戶可通過應用程序獲取自己的DNA信息。公司為所有客戶生成和存儲這種類型的數據，即使他們最初只做一個特定的遺傳查詢。Helix公司一次對2萬多種基因的分析成本為100美元左右，僅為其他公司的五分之一。這些DNA信息還可出售給其他研發(fā)人員。目前Helix正和Illumina公司合作籌建世界上最大的基因測序中心，計劃今年或明年推出DNA應用商店。

　　不過一個迫在眉睫的問題是FDA一直密切關注基因測試，并將決定多少信息Helix應用程序可以向公眾收集和展示。梅奧診所個性化醫(yī)療中心主任Keith Stewart說，大多數返回消費者的數據都具有真實醫(yī)療信息，可以預測你的癌癥幾率。Veritas Genetics首席執(zhí)行官Mirza Cifric說：“底線是這些DNA信息是否真正有用?！弊詮娜ツ昵锾扉_始，Veritas Genetics也在創(chuàng)建自己的DNA應用商店。

　　（文中數據來源于網上公開資料）