讓會聚科研為人類健康服務

張茜/編譯

讓會聚科研為人類健康服務

張茜/編譯

會聚技術：由斯坦福大學史蒂芬·奎科（Stephen Quake）設計的微集合裝置，用于一個精子中的DNA測序

●學科會聚：集物理科學、工程學與生物醫學為一體。

數十年來，科學家一直呼吁加強生命科學與物理學的融合。基于此，我們提出了創建一個新的國家研究策略——我們稱之為“會聚科研”——旨在將工程學、物理學、計算科學、數理學與生物醫學整合為一體。幸運的是，生物學日新月異的新發現、計算科學不斷增強的實力以及工程學在生物相容性材料和納米技術上新的關注點，使得這樣一種推動醫療衛生進步的策略蘊含的潛力比以往任何時候都更加強大。在各界努力下應運而生的新技術的潛在影響力遠遠超過醫療保健本身：創造就業機會；加快產品向市場推進的步伐；改善從農業到環境保護、經濟以及能源生產的方方面面。如果我們選擇有意識地對這些新興技術進行投資，那么這一切將構成一幅前所未有的機遇藍圖。可惜到目前為止，我們還沒有這么做。我們把融合大變革的利益得失，以及我們應當做些什么來充分利用這樣的變革詳述于下。另外，也與來自全國各地的同行們合作形成了一份報告對此進行深度分析。

會聚科研與跨學科研究息息相關，但會聚科研遠遠超越了合作的概念。它將歷史上各種不同學科與技術整合為統一的整體，創造了新的途徑和機遇。這樣的一種整合，會為生物醫學科學提供潛在的革命性變化。想一想由20世紀最偉大的會聚帶來的變化吧，它集物理學與工程學之大成，為我們創造了重塑世界的工具——收音機、電話、汽車、飛機、計算機、核能、衛星和互聯網。如果我們對機構、院校以及獨創性進行投資和調配，那么我們足以推動醫療保健轉化工具和技術的另一新紀元。

然而，現如今僅有3%的會聚科研的首席科學家可以從美國國立衛生研究院（NIH）獲得研究經費，這些研究來自物理學、生物物理學、數學、工程學或生物工程學，而這已是生物醫學會聚研究的主要經費來源。以從事會聚科研為主的美國國家生物醫學成像與生物工程研究所（NIBIB），2016年的經費預算不足3.45億美元。在眾多聯邦機構中，美國國家科學基金會（NSF）是為基礎工程學和物理學提供支持的主要部門，但是對這些學科與生物醫學融合方面的資助微乎其微，因為NSF的醫學研究比起NIH有著歷史性的延遲。盡管其他聯邦機構——諸如美國能源部（DOE）、美國國防部高級研究計劃局（DARPA）、美國食品藥品管理局（FDA）——已經開始意識到會聚科研的大好前景，但是到目前為止還未有聯邦機構或辦公室主要負責推動工程學、物理學以及數學科學與生物醫學之間的會聚。跨學科項目獲得聯邦資助的重重困難成為科學進步的絆腳石。

萬里之行，我們走了多遠？

盡管在我們看來，會聚科研方面的投資實在微不足道，但我們仍要為可以給未來方向提供模板和測試平臺的努力而喝彩。一些聯邦機構已經接受了會聚科研的方案。自2002年起，NIBIB已開始頒發會聚科研相關補助金。DARPA于2014年啟動生物技術辦公室以駕馭“自然系統的力量”，該辦公室開發出智能假肢以及相應策略與腦部疾病和傳染病進行抗爭。最近啟動的“大腦計劃”旨在徹底改變我們對人類大腦的理解，而“精準醫療計劃”則是為了利用大數據在個人層面對疾病信息進行評估，這兩大計劃均將會聚科研的潛力融入到他們的研究模型當中。最近啟動的“國家微生物組計劃”也有異曲同工之妙。這些新計劃都是在諸如美國科維理基金會、霍華德·休斯基金會、雷蒙德和貝弗利·賽克勒基金會、西蒙斯基金會以及寶來惠康基金會等的早期支持與鼓勵下啟動的。

一些學術機構在最近一段時間對會聚科研許下了令人振奮的承諾。西北大學國際納米技術研究所集化學、生物科學以及工程學為一體，開發出了用于納米醫學和納米腫瘤學的工具。在加利福尼亞大學，加利福尼亞定量生物學研究所綜合運用物理學、化學以及計算機科學來應對分子生物學的挑戰。哈佛大學威斯生物工程研究所將學科與機構相交叉，開發出創新性工程學解決方案、商業產品和多種領域的治療方法。在麻省理工學院，大衛·科赫綜合癌癥研究所召集工程師、生物學家以及臨床腫瘤學家開拓新的思路、創造新的工具更好地應用于癌癥診斷、治療與預防。

這些項目——連同許多與他們類似的其他項目——從整體上來看并不協調、適度，但是已經有了傲人的成果。有數十家獨立公司成立，其中許多家的產品已進入臨床試驗階段：具有癌細胞導向性可直接遞送化療藥物的納米顆粒，能讓外科醫生更準確地發現并移除癌細胞的成像技術，以及其他更多的類似產品。這些努力對于培訓新一代的跨學科科學家和工程師功不可沒，這些跨學科科學家和工程師將會諳熟一系列學科領域，以便能夠充分把握機遇。

眾多商家也紛紛轉戰該領域。Verily公司（谷歌前生命科學部門）將基因組學與高通量高分辨率成像技術相結合，開發出基于生物學、遺傳學、行為學和環境學數據的個體化治療方案。像蘋果、IBM以及微軟這類公司已進行投資并帶來了市場創新，使得個人和機構能夠對個體健康、體能和疾病進行追蹤和監控。

如何才能立足長遠？

盡管已有了進步的信號，但是人們仍然有理由去憂慮，我們仍需吸取經驗教訓。新報告為改善和加速會聚科研的進程提出了一些建議：聯邦政府應不斷加大目標明確的會聚科研方面的生物醫學研究項目的資金投入力度；修訂格蘭特撥款審查機制，納入工程學、計算科學與物理學方面專家意見；在高等院校進行學術結構調整，促進生物學家、臨床醫生、數學家、物理學家、工程師以及計算機科學家在研究和教育上的合作。NIH將起到主導作用：它應積極發展會聚科研-技術策略，招募數學家、工程師、物理學家和計算機科學家，將他們的專業知識應用到生物醫學領域的挑戰中去，無論是基礎研究方面還是應用研究方面。盡管許多聯邦機構已經開展了涉及會聚科研的項目，但是這些努力仍應繼續推廣。我們被NSF新的會聚科研研究重點、其撥款審查的變更計劃以及支持會聚科研的新教育模式所鼓舞。

如果我們能將跨學科、資金支持和可培養工作項目良好地結合，會聚科研就將會發生翻天覆地的變化。這份報告建議通過科學和技術政策辦公室的協調，與NIH、NSF、美國國防部、FDA以及DOE合作創建一個會聚科研跨部門工作小組。此外，仍有待開發一項通過納米技術與植物基因組計劃相融合的模式來推進生物醫學科學發展的特殊戰略計劃。NIH的共同基金機制應該支持多機構和中心的會聚科研。聯邦機構應當考慮開展更多的會聚科研培訓并將其規模擴大化。生物醫學與醫療衛生保健通過會聚科研進行轉化取決于面對變化時的開放態度以及合作的意愿。這顯然是新興事物，仍需進一步強化。

[資料來源：Science][責任編輯：彥隱]

本文作者：菲利普·夏普（Phillip Sharp），諾獎得主、MIT教授；泰勒·杰克斯（Tyler Jacks），MIT腫瘤研究中心主任；蘇珊·霍克菲爾德（Susan Hockfield），神經科學家、MIT校長。