中國工程院圈點醫學工程探索前沿

文/本刊記者 陳相龍

《全球工程前沿2019》報告發布會如期舉行，其中醫藥衛生工程研究獲得極高期待率。

2019年12月10日，中國工程院戰略咨詢中心聯合科睿唯安以及高等教育出版社等多家機構，在中國工程院學術報告廳發布《全球工程前沿2019》報告。中國工程院副院長、中國醫學科學院 北京協和醫學院院校長王辰參加報告發布會。

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

在醫藥衛生領域，這一報告主要聚焦醫學技術開發前沿和未來醫學技術研究方向兩大板塊，分別挖掘出十大前沿領域。

當日，中國工程院院士、北京積水潭醫院院長田偉受邀進行主題演講，重點介紹了人工智能在生物醫藥的應用。這一領域正是當前醫學工程研究最熱門的前沿方向之一。

醫學工程開發前沿TOP10

“有時治愈，常常幫助”是現階段的醫學目標。目前的人類醫學或許還不能逆轉疾病的進程，但是在未來數年內，達到醫治大部分疾病是充滿希望的。為此，醫藥衛生學部研判的TOP10工程開發前沿技術來了。

1 腫瘤免疫治療技術

此技術是應用免疫學的原理和方法，通過激發和增強機體抗腫瘤免疫應答來治療癌癥的一類方法，可顯著改善患者的生存質量并延長生存期。主要包括癌癥疫苗、特異性單克隆抗體靶向療法、細胞因子療法、免疫檢查點抑制劑和過繼性細胞療法等。

2 智能輔助診斷技術

此技術由計算機在臨床診斷中提供輔助病情分析，幫助醫生更充分地利用多方面信息，提升診斷質量和診療效率。近年來，世界各國在醫學人工智能領域的投資呈現出快速上漲的態勢，國內的智能輔助診斷相關行業也迅速崛起，2017年行業產值已經達到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

目前，基因編輯技術已廣泛應用于動物模型的構建、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，應用于抗病毒治療、CAR-T細胞治療、血液疾病治療等。自2012年CRISPR/Cas被發現以來，基因編輯領域如同打開了閥門一般，科學研究領域的文章呈井噴式發表，它有巨大的市場應用前景，特別是在臨床應用領域。

4 基于基因組學大數據疾病預測與干預技術

此技術是以人類基因組、轉錄組、表觀組和代謝組數據為代表的多層次、高緯度數據。近年來，二代和三代測序技術的快速發展使得基因組學大數據呈爆發式增長并為疾病的研究帶來新的機遇和挑戰。中國目前已開展了眾多針對中國人群的基因組學大數據研究。未來，隨著測序技術的發展和研究的深入，基因組學大數據將會在疾病的預測和干預中發揮越來越重要的作用。

表1 醫藥衛生領域Top10 工程開發前沿

5 腦機接口技術

此技術旨在通過檢測中樞神經系統活動并建起轉化為人工輸出，來替代、修復、增強、補充或者改善中樞神經系統的正常輸出，從而改變中樞神經系統與內外環境之間的交互作用。腦機接口技術在諸如中風、注意力缺陷等腦損傷或其他神經系統疾病患者的臨床康復中表現出色，為高位截癱、肌萎縮性側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、意識狀態等檢測和識別提供客觀指標。

6 智能可穿戴健康輔助設備

據預測，到2020年前后全球可穿戴設備將達到60億美元的市場規模，數目也將比上一年增長15.3%，達到19850萬臺。未來智能可穿戴檢測設備將會蓬勃發展：產品功能更加聚焦，個人數據更加完善，用戶體驗更加良好，遠程醫療更加普及，在顯著降低醫療成本的同時，提升醫療的普及程度、覆蓋范圍與專業化水準，最終達到疾病預防的目的，從而推進大眾健康。

7 基于干細胞的組織重建與器官重塑技術

該技術的發展將進一步推動人類對生命發育過程、正常組織器官功能維持、疾病發生與發展、組織器官再生與功能重建的深入探索與認識；從多維度模擬并仿生制備組織與器官，從成分仿生、結構仿生，到功能重建，實現組織器官重建，實現從基礎向人體應用的轉化；為人類健康提供新技術、新方法與新產品；為提升與改善患者生活質量、延長健康壽命提供可行性途徑；為組織工程與再生醫學新興產業發展提供強大的支撐。

表2 醫藥衛生領域Top10 工程研究前沿

8 人源化動物模型技術

在實驗動物體內實現特定人類細胞或組織器官的長期穩定生長與分化，可用于高度模擬人類組織器官的生理功能和相關疾病的發生發展過程，為疾病的相關基礎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下實現對人類重要疾病過程的多維度多模態模擬，并開展相關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越性。

9 單細胞分析技術

自2009年以來，單細胞分析實現了從一個細胞轉錄組分析拓展到同時對幾萬個甚至上百萬個細胞進行轉錄組、基因組、代謝中間產物、細胞表面抗原分子等多層面組學分析。這些技術突破使得繪制人類與各種模式生物體內所有細胞圖譜成為可能。在未來的10年里，單細胞分析技術有望推動構建人類所有重大疾病細胞圖譜，深化對個體內病變細胞類型、數量以及對藥物敏感異質性的認識，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。

1 0 組織再生修復材料

目前，組織再生修復材料已成功應用于皮膚、血管、角膜、骨、軟骨以及口腔軟、硬組織等缺損的再生修復中。此外，結合數字醫學技術和3D打印技術，組織再生修復材料還可用于缺損的個性化精準治療。據預測，全球再生醫學的市場規模將從2018年的100.7億美元，增長到2025年的489.7億美元，復合年增長率為25.4%。

醫學工程研究前沿TOP10

科技的飛速發展正在改變人類的生活方式，醫療領域也一直在孕育顛覆性的革命。為此，醫藥衛生領域組研判的TOP10工程研究前沿聚焦未來醫療，謀求突破發展。

1 人工智能在生物醫藥的應用研究

此研究是運用人工智能技術，開展醫學數據（包括影像、圖譜、病歷，及其他醫學傳感信息）驅動下的健康篩查與預警、疾病診斷與治療、康復訓練與評估、醫療服務與管理、藥物篩查與評估、基因測序與表型等典型生物醫藥領域的精準、智能、安全應用研究。總體來看，人工智能在生物醫藥的應用研究正在通過彌補人類能力短板的智能輔助形式，推動醫療技術進入一個新的時代，促進醫療健康進入量化分析、個體化規劃以及實時監控的新階段。

2 腸道微生態和穩定免疫

近年來，大量研究表明，腸道微生態在感染、肝病、代謝性疾病、自身免疫病、腫瘤、大腦和神經精神系統等疾病中具有關鍵作用，已經成為攻克重大疾病發病機制難題的突破口。調控腸道微生態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疾病發生發展和治療中造成的微生態破壞及其相應的健康損害，促進康復。

3 腦科學的神經計算和類腦智能研究

通過定量分析、計算模型和構建受腦啟發的隨機計算方法，深入研究神經系統的原理和動力學，破譯大腦信息處理與神經編碼的原理，解碼大腦工作原理，同時，在上述研究基礎上，通過信息技術予以參照、模擬和逆向工程，模擬大腦高級認知功能機理，發展類腦智能算法，形成以“類腦智能引領人工智能發展”為標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應用等新型研究領域。包含以下兩個方向：一方面涵蓋了對大腦運算本質的神經生物學研究；另一方面，通過計算方法解碼大腦智能原理，創建新的智能技術，將廣泛覆蓋人工智能相關的各個領域。

4 類器官芯片及其生物醫學應用研究

主要目標是在微流控芯片上將具有干細胞潛能的細胞培養形成細胞團，模擬、研究并控制細胞在體外培養過程中的自我更新、自我組裝等生物學行為，進而表現出與來源組織相似的空間結構，并在芯片上再現器官的部分關鍵功能，從而實現藥物篩選評價、遺傳疾病建模、細胞治療等多領域的應用。

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答，恢復機體正常的抗腫瘤免疫系統活性，從而控制與清除腫瘤的治療方法。具有三大特點，包括適應證不斷擴大，尋找精準受益人群，聯合治療趨勢明顯。目前，腫瘤免疫治療在黑色素瘤、肺癌、結直腸癌等惡性腫瘤的治療中都已經取得重大突破。

6 個體化腫瘤治療疫苗

此疫苗的關鍵技術是發現和篩選新抗原，其核心是用于預測新抗原和人類白細胞抗原（HLA）結合力的算法。目前，國內已有多家研發機構和企業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展方向主要在于加深對腫瘤免疫機制認識、優化篩選新抗原的算法、發展臨床前腫瘤模型、縮短疫苗生產周期和發展結合療法，等等。

7 干細胞在再生醫學中的應用研究

此研究目的在于修復病變或缺損的細胞、組織或器官，主要依賴于種子細胞，尤其是干細胞。基于干細胞治療的再生醫學的發展有可能為醫學的發展帶來新的革命，并為傳統醫療方法無法治療或治愈的疾病帶來新的希望。進一步激活科研院所、醫療機構和醫藥企業之間的合作，政府政策制定部門推動干細胞產業布局，將會是推動干細胞在再生醫學領域中應用向前邁進的關鍵之舉。

8 腫瘤微環境代謝異質性與相互作用

腫瘤細胞、間質細胞和細胞外基質等共同構成的局部環境的代謝不均勻性及其復雜性，具有低氧、低pH和局部營養缺乏等特點。腫瘤細胞與微環境中的細胞成分（成纖維細胞、免疫和炎性細胞和血管內皮細胞等）和非細胞成分（包括細胞外基質、細胞因子、補體等）發生相互作用，協同促進腫瘤發生發展。

9 單細胞測序與疾病診斷

此診斷通過對單個或是少量細胞的基因組、轉錄組或表觀組進行測序、分析，進而進行疾病診斷及指導治療策略的技術。適用于細胞量較少（如生殖細胞及早期胚胎、循環腫瘤細胞）以及組織細胞異質性較大（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。此技術在腫瘤免疫微環境及免疫治療方面可實現對藥物和治療方案的選擇。

10 3D 打印技術在再生醫學的應用研究

利用3D打印技術制備出與患者生理結構和功能相匹配的組織或器官，從而達到替代和重建器官功能的目的。隨著相關技術的發展，3D打印在再生醫學領域已經經歷了從單種細胞打印到多種細胞打印，并逐步向組織和類器官打印邁進。通過進一步研究與發展后，3D打印技術應提供具有適當解剖結構、力學性能、生物學功能的個性化再生醫學產品，從而真正實現組織與器官在結構與功能上的精準再生，為再生醫學的發展提供足夠的物質和理論保證。