前不久，世界經(jīng)濟論壇在達沃斯年會(huì )上公布了2016年度十大新興技術(shù)，這些技術(shù)無(wú)疑會(huì )在改善人們生活、推動(dòng)行業(yè)變革和維護地球生態(tài)等領(lǐng)域產(chǎn)生巨大作用。與往年相比，今年選中的新興技術(shù)在生物科學(xué)領(lǐng)域要更突出，且除了考量不同技術(shù)對人類(lèi)的好處外，也更顧及其對環(huán)境的影響。對于持續關(guān)注前沿科技的動(dòng)脈網(wǎng)（公眾號：vcbeat）來(lái)說(shuō)，我們對其中的醫療相關(guān)技術(shù)充滿(mǎn)興趣，并通過(guò)本文對此進(jìn)行了解讀。
納米傳感器和納米級物聯(lián)網(wǎng)將對醫學(xué)產(chǎn)生巨大影響
物聯(lián)網(wǎng)正處在迅速發(fā)展擴張的階段，分析師們預計直到2020年時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)設備總數量會(huì )達到300億。物聯(lián)網(wǎng)能夠賦予普通事物意想不到的能力，尤其是那些由人工智能系統進(jìn)行監控的設備。比如，當你下班回家時(shí)，房門(mén)會(huì )識別確認你是主人，自動(dòng)開(kāi)門(mén)。又如一位心臟病患者，當他的心臟已經(jīng)出現了機能衰弱的跡象時(shí)，被植入了患者體內的心臟監護器就會(huì )收到信號并且立即向醫生呼救。
目前，科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始了縮小傳感器的研究，希望能將毫米或微米級別的傳感器縮小到對納米級別，這樣就可以使納米傳感器進(jìn)入人體循環(huán)系統中。這項關(guān)鍵研究是傳統物聯(lián)網(wǎng)向納米級物聯(lián)網(wǎng)邁進(jìn)的第一步，一旦成功，納米級物聯(lián)網(wǎng)將會(huì )對未來(lái)的醫學(xué)和醫藥制造產(chǎn)生巨大影響。
迄今為止，科學(xué)家通過(guò)使用合成生物學(xué)的工具來(lái)修飾單細胞生物如細菌的方法，已經(jīng)制作出了一些目前世界上最先進(jìn)的納米傳感器。他們的目標是研制出一種外形簡(jiǎn)潔時(shí)尚的生物電腦，這種生物電腦可以利用DNA和蛋白質(zhì)去識別的特定的化學(xué)物質(zhì)靶標，并存儲大量信息，然后改變顏色或者編輯一些易于檢測的信號來(lái)記錄這些信息的位置。Synlogic是一家位于馬薩諸塞州劍橋的初創(chuàng )公司，他們現在致力于將經(jīng)計算生物學(xué)研究可治療一些罕見(jiàn)的代謝紊亂疾病的益生菌株商品化。
從智能納米傳感器到納米級別物聯(lián)網(wǎng)的過(guò)渡已經(jīng)是不可避免的，但也即將面臨一些嚴峻的挑戰。其中，需要跨越的一個(gè)技術(shù)障礙是需將自供電納米設備所需的所有組件集成，該設備用于檢測變化和向網(wǎng)絡(luò )發(fā)送信號。其它障礙包括一些關(guān)于隱私和安全的棘手問(wèn)題。由于納米材料本身存在毒性，因此導入體內的任何納米器件，都對人體都有一定的毒性或引發(fā)一系列的免疫反應。
除了醫學(xué)領(lǐng)域之外，納米傳感器與納米級別物聯(lián)網(wǎng)還將會(huì )對未來(lái)的建筑、農業(yè)等方面產(chǎn)生巨大影響。當納米時(shí)代真正來(lái)臨時(shí)，我們的身體、家庭、環(huán)境、工廠(chǎng)都會(huì )得到更好的發(fā)展。在未來(lái)，你將會(huì )看到幾十億、幾百億的納米傳感器收到海量的實(shí)時(shí)信息，并同步到云端。
讓開(kāi)放式人工智能系統成為你的個(gè)人健康助理
與大多數普通人相比，公司CEO擁有一個(gè)明顯優(yōu)勢是他們不需要花費過(guò)多時(shí)間在日�，嵤律�，如安排約會(huì )、做行程安排計劃、搜索信息等，因為他們會(huì )聘請私人助理來(lái)處理處理這些事情。但隨著(zhù)一個(gè)開(kāi)放式人工智能系統的面世，只需要付幾杯拿鐵咖啡的價(jià)格，我們也將能夠享受這種奢侈服務(wù)了。
蘋(píng)果Siri、微軟Cortana、谷歌OK Google以及亞馬遜Echo，都可以通過(guò)自然語(yǔ)言程序將人類(lèi)提出的問(wèn)題進(jìn)行識別處理，但是它們也常常會(huì )給出：“對不起，我不知道這件事”或者“這是我從網(wǎng)上找到的”的答復，因此用戶(hù)不可能把它們和忠誠的助理聯(lián)系起來(lái)。此外，這些系統還是受到專(zhuān)利保護的，所以很難為它們擴展新的功能。
在過(guò)去的幾年中，一些新興技術(shù)的誕生都是以建立功能強大的、擬人化的數字助理為目的，因此就出現了開(kāi)放式人工智能系統。該系統不僅可以連接到我們的移動(dòng)設備和計算機并通過(guò)它們進(jìn)入短信、郵件、聯(lián)系人、日歷、和工作檔案，還可以連接到臥室的溫控器，可穿戴設備、甚至汽車(chē)。在互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)下，用戶(hù)的個(gè)人數據之間是互相連接的，無(wú)論身處何地都可以做到即刻與開(kāi)放式人工智能系統交談，這將在未來(lái)幾年內提升數百萬(wàn)人的生活水平以和幸福感。
有了開(kāi)放式人工智能系統，通過(guò)收集一些匿名健康數據和提供個(gè)性化的健康咨詢(xún)，可以實(shí)質(zhì)性的改善用戶(hù)的健康狀況并且為他們減少醫療方面的開(kāi)支。截至現在，機器在很大程度上是不能察覺(jué)到我們的身體、生活和工作上的細節。如果高價(jià)聘請助理，他就會(huì )觀(guān)察到你什么時(shí)候無(wú)聊、疲倦、饑餓或者生病，同時(shí)還會(huì )知道什么人、什么事物對你很重要。因此，這也是開(kāi)放式人工智能系統的目標發(fā)展方向，研究者們正在努力讓系統獲得這些能夠理解人類(lèi)的能力。
與高薪聘請的真人助理相同，數字時(shí)代的AI助手也會(huì )忠誠的為我們服務(wù)，并且保護我們的健康、安全和隱私。它們將會(huì )以客戶(hù)利益最大化為服務(wù)宗旨，這些對人工智能的研究來(lái)說(shuō)都是很有趣且意義重大的挑戰。
升級光遺傳技術(shù)照亮神經(jīng)學(xué)
在過(guò)去，神經(jīng)學(xué)家和心理學(xué)家可以觀(guān)察到大腦對各種刺激會(huì )做出怎樣的反應，并且已經(jīng)繪制出基因是怎樣在整個(gè)腦中表達的，但是他們當時(shí)無(wú)法控制單神經(jīng)元，以及開(kāi)啟和關(guān)閉其他種類(lèi)的腦細胞。對于研究人員來(lái)說(shuō)，解釋大腦產(chǎn)生行為是通過(guò)什么路徑完成的，本身就是一件非常困難的事。因此，對于帕金森氏癥和抑郁癥等疾病也不能進(jìn)行有效的治療。
科學(xué)家們曾經(jīng)嘗試過(guò)利用電極來(lái)記錄神經(jīng)元的活動(dòng)，這在一定程度上是有效的。但是因為電極刺激會(huì )刺激到附近的每一個(gè)神經(jīng)元，所以根本無(wú)法區分不同種類(lèi)的腦細胞，得到的記錄結果也顯得粗糙、不精準。
直到2005年，這個(gè)難以解決的問(wèn)題終于有了新突破。據神經(jīng)基因學(xué)家們探索發(fā)現，可以利用一種新的技術(shù)來(lái)記錄神經(jīng)元的活動(dòng)，即利用基因工程的方法使神經(jīng)元對特殊顏色的光作出反應。這種技術(shù)于20世紀70年代建立，被稱(chēng)為光遺傳技術(shù)。它主要用于色素蛋白的研究，也就是視紫紅質(zhì)和視蛋白基因家族編碼的研究。這些蛋白質(zhì)的工作方式和光激活離子泵類(lèi)似，在微生物以及視力損傷的人群身上使用視紫紅質(zhì)，可以幫助攝取入射光的能量及信息。
如今，生物學(xué)家將一個(gè)或多個(gè)視蛋白基因插入小白鼠特定的神經(jīng)元，他們就可以使用可見(jiàn)光隨意控制特定的神經(jīng)元開(kāi)啟或關(guān)閉。多年來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)使這些蛋白質(zhì)能對不同顏色都做出響應，從深紅色到綠色到黃色再到藍色都可以實(shí)現。通過(guò)將不同的基因導入不同的細胞，再使用各種顏色的光脈沖來(lái)激活一個(gè)神經(jīng)元，就能夠在精確的時(shí)間序列上確定幾個(gè)相鄰的神經(jīng)元。
這個(gè)難題的解決是神經(jīng)科學(xué)發(fā)展中的一項重要進(jìn)步，畢竟對于具有生命活性的大腦來(lái)說(shuō)，時(shí)間是非常關(guān)鍵的。因為即使大腦發(fā)送出的是相同信號，如果時(shí)間相差幾毫秒就有可能出現完全相反的效果。
光遺傳技術(shù)的發(fā)展加快推動(dòng)了腦科學(xué)發(fā)展前進(jìn)的步伐，但是實(shí)驗人員在將光深度傳送到腦組織的問(wèn)題上卻又遇到了阻礙。好在現在已經(jīng)出現了一種靈活的超薄無(wú)線(xiàn)微芯片，它們可以被深度插進(jìn)腦組織中，并且對腦覆蓋組織的損傷非常小。這種設備正在被作為注射裝置來(lái)幫助無(wú)線(xiàn)控制神經(jīng)元，目前還處于測試階段。
光遺傳技術(shù)已經(jīng)為帕金森氏癥、慢性疼痛、視力損傷、抑郁癥等腦部疾病的治療打開(kāi)了新的大門(mén)。還有研究表明，在某些情況下，非侵入性光療法能通過(guò)關(guān)閉特定的神經(jīng)細胞來(lái)治療慢性疼痛。目前，全球每4人中就約有1人患有精神疾病，而精神疾病更是大腦損傷的主要來(lái)源，可惜光遺傳學(xué)對其的治療暫時(shí)還不能實(shí)現。
人體器官芯片技術(shù)為醫藥研究帶來(lái)了新的機遇
或許除了在好萊塢的特效工廠(chǎng)以外，你不可能看到漂浮在生物實(shí)驗室里的活的人體器官。不考慮維持器官在體外保持生命活性的技術(shù)困難，完整器官的移植對于科學(xué)實(shí)驗中的應用非常珍貴。但是，其實(shí)許多重要的生物學(xué)研究和實(shí)際藥物測試只通過(guò)其真正起作用的器官就可以完成，并不一定需要在小白鼠或人體身上完成。隨著(zhù)人體器官向微型功能器件發(fā)展，目前已經(jīng)出現了一項新技術(shù)，在芯片上就可以實(shí)現這方面的需求。
在2010年，來(lái)自Wyss研究所的Donald Ingber研制出了一種肺芯片，首次在芯片實(shí)現了這種技術(shù)。于是各機構紛紛投身該技術(shù)的研發(fā)，以Ingber與Wyss研究所的其他研究人員為領(lǐng)頭人，科研人員與工業(yè)界以及政府達成合作關(guān)系，包括美國國防部高級研究計劃局，為此投入了7500萬(wàn)美元。截至目前，已經(jīng)有多家媒體報道過(guò)肺、肝、腎、心臟、骨髓和角膜被成功制成微型模型的新聞。
器官芯片的工作原理
Wyss研究所采用制作計算機芯片的技術(shù)，將活的人體器官細胞植入到芯片中，同時(shí)芯片可以模擬細胞在人體內的環(huán)境。一個(gè)器官芯片的體積與一個(gè)閃盤(pán)相當，由柔性的半透明聚合物制成。在芯片的槽道中有三個(gè)并列的流體通道，兩邊的通道是真空通道，中間的通道是植入細胞的通道。直徑小于一毫米的通道與從人體器官上提取的細胞相連，可以在芯片內復雜的管道中流動(dòng)。當營(yíng)養物質(zhì)、血液、需要測試的化合物，如實(shí)驗性藥物從微流管中泵入時(shí)，這些器官的細胞能復制一些活體器官的關(guān)鍵功能。
在中間通道的正中間有一層有透性的生物膜，薄膜上布滿(mǎn)小孔。在薄膜的上面鋪滿(mǎn)一層肺細胞，薄膜的另一面鋪滿(mǎn)血管細胞。因此，薄膜上面可以流通空氣，下面可以流通血液。另外，兩側的真空通道可以收縮，同時(shí)帶動(dòng)中間的通道一同收縮，于是肺細胞也跟著(zhù)收縮，這就模擬了人體肺泡在呼吸過(guò)程中的收縮生理過(guò)程。同樣的，血液中的細菌也可以從通道進(jìn)入，科學(xué)家們就可以觀(guān)察到細胞在細菌感染后的免疫反應，這些實(shí)驗對人體都不會(huì )造成任何風(fēng)險。因此，這項技術(shù)可以讓科學(xué)家們清楚的看到、了解在從前他們不曾親眼見(jiàn)過(guò)的生物學(xué)機制和生理行為。
為醫藥研究帶來(lái)新機遇
器官芯片的出現將推動(dòng)新藥研發(fā)。藥企可以通過(guò)模擬人體器官的功能，去更加真實(shí)、精確的測試篩選藥物。在2015年，就有一家公司使用芯片模仿內分泌細胞分泌激素到血液中的途徑，并使用該內分泌細胞芯片對治療糖尿病的藥物進(jìn)行了關(guān)鍵測試。還有一些團隊正在探索如何在個(gè)性化醫學(xué)上使用器官芯片。從原理上說(shuō)來(lái)，患者自身細胞構建是可以用于這些芯片上的。對其進(jìn)行測試，結果顯示能夠運行，因此器官芯片在個(gè)體化療法方面很可能取得成功。
最后，我們有理由相信，器官芯片可以大大降低醫藥行業(yè)中藥物實(shí)驗對于實(shí)驗動(dòng)物的依賴(lài)性。全世界每年都有數以百萬(wàn)計的動(dòng)物因為藥物實(shí)驗犧牲，在社會(huì )上引發(fā)著(zhù)激烈的爭論。除開(kāi)倫理的考慮，研究人員已經(jīng)證明實(shí)驗動(dòng)物的巨大浪費是因為很少有人能夠在藥物如何在人類(lèi)體內反應提出可靠見(jiàn)解，因此需要通過(guò)大量重復的動(dòng)物實(shí)驗進(jìn)行研究。在這方面，與在動(dòng)物身上進(jìn)行藥物測試相比，通過(guò)器官芯片測試可能會(huì )取得更好的效果。
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