基于人體的工程學(xué)研究具有悠久的歷史。它起源于解剖學(xué)，應(yīng)用于各科手術(shù)、監(jiān)測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域中。在過去的二十年間，借助新型技術(shù)的發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)工程經(jīng)歷了一次飛躍式前進(jìn)。各種人造植入物、醫(yī)療輔助設(shè)備和模型深入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，工程學(xué)與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域之間的交叉地帶變得更加廣闊。
近期，為了討論工程學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的發(fā)展與作用，IEEE 醫(yī)學(xué)和生物學(xué)工程學(xué)會(huì)（EMBS）、約翰·霍普金斯大學(xué)（JHU）生物醫(yī)學(xué)工程系和加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）生物工程系聯(lián)合組織了為期兩天、題為“工程與醫(yī)學(xué)交叉領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)”的研討會(huì)。
研討會(huì)后，參與會(huì)議的生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域?qū)＜衣?lián)盟又經(jīng)歷了數(shù)月的深入討論，最終確定了五項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，內(nèi)容涉及精準(zhǔn)醫(yī)療、再生醫(yī)學(xué)、大腦接口、免疫科學(xué)以及基因工程。該聯(lián)盟指出，如果使用先進(jìn)的生物醫(yī)學(xué)工程方法解決這些挑戰(zhàn)，可以極大地改善人類健康。基于這五個(gè)領(lǐng)域，該聯(lián)盟還制定了未來研究和資助的路線圖。
上述內(nèi)容最終由來自全球 34 所著名大學(xué)的 50 名知名研究人員組成聯(lián)盟撰寫為論文 Grand Challenges at the Interface of Engineering and Medicine，并發(fā)布于 IEEE Open Journal of Engineering in Medicine and Biology 期刊。
▲圖丨工程與醫(yī)學(xué)交叉領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)（來源：IEEE Open Journal of Engineering in Medicine and Biology）
該論文作者之一、約翰霍普金斯大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系教授兼主任 Michael I. Miller表示，“我們?cè)谶@里所取得的成就將成為突破性研究的路線圖，以改變未來十年的醫(yī)學(xué)格局。該工作組的成果將轉(zhuǎn)化為重要研究和培訓(xùn)機(jī)會(huì)，有望在未來幾十年在工程和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生共鳴?！?/span>
挑戰(zhàn)一：連接精準(zhǔn)工程和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)，打造個(gè)性化生理學(xué)
以病理機(jī)制指導(dǎo)疾病診斷與治療的方法始于 19 世紀(jì)。然而直到今日，即便是對(duì)于那些具有潛在發(fā)病率和死亡率的普通疾病而言，誤診仍然存在。此外，包括癌癥、心血管和自身免疫性疾病在內(nèi)的眾多疾病需要針對(duì)病患采取個(gè)體化、針對(duì)性的治療手段。
上述需求引發(fā)了人們對(duì)于精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的關(guān)注，其中的重點(diǎn)包括根據(jù)合并癥、遺傳學(xué)、環(huán)境和生活方式等因素確定對(duì)于個(gè)體患者的有效治療方法。專家聯(lián)盟將這種新方法稱為AccuMedicine，即精準(zhǔn)工程和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的結(jié)合，由此涉及到工程和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的多方面挑戰(zhàn)。
在數(shù)字化時(shí)代，相關(guān)工作者可以收集到大量的患者個(gè)體數(shù)據(jù)，臨床醫(yī)生則能夠利用這些數(shù)據(jù)來開發(fā)精確的個(gè)人生理學(xué)模型，其被稱為“化身”（avatars）。“化身”實(shí)際上是一組精確的患者個(gè)體數(shù)據(jù)，通過將個(gè)體患者數(shù)據(jù)與個(gè)性化護(hù)理、診斷、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、和治療聯(lián)系起來，有望改善醫(yī)療效果、成本以及患者體驗(yàn)。對(duì)于該方法而言，可穿戴傳感器和數(shù)字孿生等先進(jìn)技術(shù)將成為應(yīng)對(duì)該挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)。
此外值得注意的是，美國國會(huì)最近批準(zhǔn)了一項(xiàng)法案，允許提交體外獲得的人體生理數(shù)據(jù)取代臨床前動(dòng)物數(shù)據(jù)，用于研究藥物應(yīng)用。
挑戰(zhàn)二：SmartHuman——按需開發(fā)人類組織和器官
人類生命的長(zhǎng)度和質(zhì)量很大程度上取決于重要器官的功能。隨著社會(huì)步入老齡化階段，需要修復(fù)或更換受損組織和器官的人群逐漸增多。
在 20 世紀(jì) 80 年代末，通過將工程學(xué)與生命科學(xué)相融合，組織工程學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。該領(lǐng)域旨在利用實(shí)驗(yàn)室培育的生物替代品修復(fù)或替換受損組織和器官。
隨著 iPSC 技術(shù)、基因編輯、生物傳感器和器官芯片等技術(shù)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的組織工程學(xué)發(fā)生了改變。新興技術(shù)使得器官功能的恢復(fù)與再生成為了可能，并且進(jìn)一步推動(dòng)了新治療方式的發(fā)展。如今，按需開發(fā)組織和器官（無論是永久植入物還是臨時(shí)植入物）正在成為現(xiàn)實(shí)。
對(duì)于該發(fā)展方向，干細(xì)胞工程、組織工程和相關(guān)制造技術(shù)方向上的關(guān)鍵進(jìn)展將在其中起到主導(dǎo)作用。另一方面，組織和器官工程的規(guī)模化、智能化背后涉及復(fù)雜的交叉領(lǐng)域問題，需要各個(gè)行業(yè)的共同參與，包括醫(yī)生、生理學(xué)家、生物醫(yī)學(xué)工程師、生物學(xué)家、電氣和設(shè)備工程師以及計(jì)算機(jī)科學(xué)家等。
此外，監(jiān)管機(jī)構(gòu)和生物制造原理將在技術(shù)轉(zhuǎn)化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。包括人體組織/器官形態(tài)和功能的設(shè)計(jì)原則和規(guī)則、干細(xì)胞工程以及植入設(shè)備/組織的傳感/反饋集成等多個(gè)領(lǐng)域的研究將構(gòu)成這一重大挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)。
挑戰(zhàn)三：利用 AI 設(shè)計(jì)大腦接口系統(tǒng)，徹底改變神經(jīng)科學(xué)
幾十年來，研究人員在捕獲大腦結(jié)構(gòu)和功能信息方面取得了巨大進(jìn)步。不僅有磁共振成像、腦磁圖和腦電圖等常用設(shè)備，最近的腦機(jī)接口（BCI）可穿戴設(shè)備也迎來了快速進(jìn)展。
盡管如此，人類對(duì)于大腦功能以及與其實(shí)現(xiàn)交互的發(fā)展進(jìn)程才剛剛開始。特別是在腦部疾病領(lǐng)域，對(duì)于病因的探查以及疾病治療依然存在巨大挑戰(zhàn)。而在全球范圍內(nèi)，包括阿爾茨海默?。ˋD）、慢性疼痛或其它神經(jīng)系統(tǒng)疾病的人群十分龐大，因此針對(duì)于大腦疾病的研究對(duì)于改善老年人的生活大有幫助。
利用傳感設(shè)備和計(jì)算方面的進(jìn)步，腦機(jī)接口（BCI）技術(shù)使得醫(yī)生理解大腦、并且干預(yù)大腦成為了可能。由此帶來的挑戰(zhàn)是，設(shè)計(jì)能夠與大腦交互并使大腦正常運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。
在先進(jìn)系統(tǒng)的支持下，專家表示針對(duì)于大腦的侵入性和非侵入性測(cè)量技術(shù)有望得到進(jìn)一步發(fā)展，這將導(dǎo)致對(duì)于腦科學(xué)疾病的深入理解。除此之外，存儲(chǔ)芯片、神經(jīng)假體等康復(fù)技術(shù)或?qū)榛謴?fù)人類神經(jīng)功能帶來希望。特別是在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代中，研究人員能夠通過日常監(jiān)測(cè)以分析大腦的各種狀態(tài)，從而無創(chuàng)地查明部分疾病的病理性原因。
總體而言，該領(lǐng)域涉及了大腦和中樞（CNS）、外周（PNS）和腸（ENS）神經(jīng)系統(tǒng)。通過人工智能、神經(jīng)接口等技術(shù)的快速進(jìn)展，研究人員對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)性能的理解將得到進(jìn)一步深化。
挑戰(zhàn)四：利用免疫系統(tǒng)以保持健康
隨著對(duì)于“免疫工程”科學(xué)的不斷深挖，利用免疫系統(tǒng)來重新設(shè)計(jì)人體細(xì)胞已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)。免疫療法為癌癥治療領(lǐng)域帶來了疫苗、基因組、表觀基因組和蛋白質(zhì)工程方面的創(chuàng)新，并且能夠與納米醫(yī)學(xué)技術(shù)、功能基因組學(xué)和合成轉(zhuǎn)錄控制方面結(jié)合起來。
在過去的幾十年里，免疫科學(xué)已經(jīng)從單一的免疫細(xì)胞發(fā)展到了今天的復(fù)雜免疫細(xì)胞庫和群體動(dòng)態(tài)。然而，許多功能尚未被了解，并且新的細(xì)胞因子仍在不斷被識(shí)別。對(duì)此，研究人員強(qiáng)調(diào)，新的免疫工程工具將成為促進(jìn)免疫科學(xué)發(fā)展的有力推手，其將為工程免疫療法和下一代疫苗的發(fā)展鋪平道路。
對(duì)于該領(lǐng)域而言，細(xì)胞測(cè)序和基因組編輯、細(xì)胞制造和材料科學(xué)技術(shù)、CAR-T 療法與數(shù)據(jù)科學(xué)等是發(fā)展的基礎(chǔ)。特別是干細(xì)胞和系統(tǒng)生物學(xué)、以及發(fā)育和系統(tǒng)/合成/計(jì)算生物學(xué)知識(shí)將在理解免疫系統(tǒng)方面發(fā)揮重要作用。
挑戰(zhàn)五：通過設(shè)計(jì)和改造基因組，制造工程化生命
基因組突變是眾多疾病的根源。如果能夠修正發(fā)生于基因?qū)用娴摹板e(cuò)誤”，或許就可以治療疾病。在過去的二十年里，研究人員設(shè)計(jì)了眾多精確且高效的基因工程工具，例如 CRISPR-Cas 系統(tǒng)。它們提供了小分子藥物無法實(shí)現(xiàn)的治療策略，然而該領(lǐng)域中仍存在兩個(gè)基本挑戰(zhàn)：研究者對(duì)于人類基因組的可塑性和表觀遺傳調(diào)控的了解有限，并且缺乏有效的體內(nèi)遞送工具。
論文強(qiáng)調(diào)，了解人類基因組的設(shè)計(jì)原理及其活性可以幫助人們?yōu)椴煌膊?chuàng)建解決方案。而對(duì)于體內(nèi)基因工程的遞送而言，生物醫(yī)學(xué)工程是解決該問題的有效方法之一。
毋庸置疑的是，現(xiàn)階段人類對(duì)于基因組、表觀遺傳調(diào)控的了解以及對(duì)于轉(zhuǎn)錄和翻譯過程的控制水平依然較低，因此了解基因組乃至構(gòu)建表觀遺傳工具自然是發(fā)展重點(diǎn)。
而對(duì)于基因療法而言，其遞送系統(tǒng)需要同時(shí)滿足以下條件：安全，高效且可組織靶向，可調(diào)諧，可重復(fù)，可制造以實(shí)現(xiàn)廣泛的可及性。這就需要生物學(xué)家、化學(xué)工程師和系統(tǒng)工程師之間的跨學(xué)科合作。
結(jié)語
論文的作者之一、來自加州大學(xué)圣地亞哥分校生物工程教授 Shankar Subramaniam認(rèn)為，這些挑戰(zhàn)提供了改變工程和醫(yī)學(xué)實(shí)踐的獨(dú)特機(jī)遇，包括多尺度傳感器和設(shè)備形式的創(chuàng)新、人形“化身”的創(chuàng)建以及人工智能驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)模型的開發(fā)等，這些都有可以從根本上改變我們的生活方式和對(duì)疾病的反應(yīng)。同時(shí)，他也強(qiáng)調(diào)了機(jī)構(gòu)在改變生物醫(yī)學(xué)和工程教育、培訓(xùn)優(yōu)秀人才解決人類健康問題上的重要作用。
精準(zhǔn)醫(yī)療、再生醫(yī)學(xué)、大腦接口、免疫科學(xué)和基因工程等五大挑戰(zhàn)領(lǐng)域的發(fā)展都需要跨學(xué)科的合作和創(chuàng)新。這種合作趨勢(shì)是推動(dòng)未來發(fā)展的重點(diǎn)，有望為改善醫(yī)療效果、降低成本并改善患者體驗(yàn)做出重大貢獻(xiàn)。
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