中国工程院圈点医学工程探索前沿

文/本刊记者 陈相龙

《全球工程前沿2019》报告发布会如期举行，其中医药卫生工程研究获得极高期待率。

2019年12月10日，中国工程院战略咨询中心联合科睿唯安以及高等教育出版社等多家机构，在中国工程院学术报告厅发布《全球工程前沿2019》报告。中国工程院副院长、中国医学科学院 北京协和医学院院校长王辰参加报告发布会。

这一最新报告从不同学科方向遴选，最终确定2019年度全球工程研究前沿93项和工程开发前沿94项，并对其中关键的28项研究前沿和28项开发前沿进行了详细剖析。

在医药卫生领域，这一报告主要聚焦医学技术开发前沿和未来医学技术研究方向两大板块，分别挖掘出十大前沿领域。

当日，中国工程院院士、北京积水潭医院院长田伟受邀进行主题演讲，重点介绍了人工智能在生物医药的应用。这一领域正是当前医学工程研究最热门的前沿方向之一。

医学工程开发前沿TOP10

“有时治愈，常常帮助”是现阶段的医学目标。目前的人类医学或许还不能逆转疾病的进程，但是在未来数年内，达到医治大部分疾病是充满希望的。为此，医药卫生学部研判的TOP10工程开发前沿技术来了。

1 肿瘤免疫治疗技术

此技术是应用免疫学的原理和方法，通过激发和增强机体抗肿瘤免疫应答来治疗癌症的一类方法，可显著改善患者的生存质量并延长生存期。主要包括癌症疫苗、特异性单克隆抗体靶向疗法、细胞因子疗法、免疫检查点抑制剂和过继性细胞疗法等。

2 智能辅助诊断技术

此技术由计算机在临床诊断中提供辅助病情分析，帮助医生更充分地利用多方面信息，提升诊断质量和诊疗效率。近年来，世界各国在医学人工智能领域的投资呈现出快速上涨的态势，国内的智能辅助诊断相关行业也迅速崛起，2017年行业产值已经达到113亿元以上，增长40.7%；2018年有望突破200亿元。

3 基因编辑技术

目前，基因编辑技术已广泛应用于动物模型的构建、新药靶点的筛选、动植物育种等方面，并逐步从实验室走入临床，应用于抗病毒治疗、CAR-T细胞治疗、血液疾病治疗等。自2012年CRISPR/Cas被发现以来，基因编辑领域如同打开了阀门一般，科学研究领域的文章呈井喷式发表，它有巨大的市场应用前景，特别是在临床应用领域。

4 基于基因组学大数据疾病预测与干预技术

此技术是以人类基因组、转录组、表观组和代谢组数据为代表的多层次、高纬度数据。近年来，二代和三代测序技术的快速发展使得基因组学大数据呈爆发式增长并为疾病的研究带来新的机遇和挑战。中国目前已开展了众多针对中国人群的基因组学大数据研究。未来，随着测序技术的发展和研究的深入，基因组学大数据将会在疾病的预测和干预中发挥越来越重要的作用。

表1 医药卫生领域Top10 工程开发前沿

5 脑机接口技术

此技术旨在通过检测中枢神经系统活动并建起转化为人工输出，来替代、修复、增强、补充或者改善中枢神经系统的正常输出，从而改变中枢神经系统与内外环境之间的交互作用。脑机接口技术在诸如中风、注意力缺陷等脑损伤或其他神经系统疾病患者的临床康复中表现出色，为高位截瘫、肌萎缩性侧索硬化症等运动功能障碍患者提供新的运动功能替代方案，为情绪、疲劳、意识状态等检测和识别提供客观指标。

6 智能可穿戴健康辅助设备

据预测，到2020年前后全球可穿戴设备将达到60亿美元的市场规模，数目也将比上一年增长15.3%，达到19850万台。未来智能可穿戴检测设备将会蓬勃发展：产品功能更加聚焦，个人数据更加完善，用户体验更加良好，远程医疗更加普及，在显著降低医疗成本的同时，提升医疗的普及程度、覆盖范围与专业化水准，最终达到疾病预防的目的，从而推进大众健康。

7 基于干细胞的组织重建与器官重塑技术

该技术的发展将进一步推动人类对生命发育过程、正常组织器官功能维持、疾病发生与发展、组织器官再生与功能重建的深入探索与认识；从多维度模拟并仿生制备组织与器官，从成分仿生、结构仿生，到功能重建，实现组织器官重建，实现从基础向人体应用的转化；为人类健康提供新技术、新方法与新产品；为提升与改善患者生活质量、延长健康寿命提供可行性途径；为组织工程与再生医学新兴产业发展提供强大的支撑。

表2 医药卫生领域Top10 工程研究前沿

8 人源化动物模型技术

在实验动物体内实现特定人类细胞或组织器官的长期稳定生长与分化，可用于高度模拟人类组织器官的生理功能和相关疾病的发生发展过程，为疾病的相关基础和防治等研究提供重要支持。人源化动物模型可在尽可能接近于人体自然的状态下实现对人类重要疾病过程的多维度多模态模拟，并开展相关新型药物或者防治方法的筛选与评价研究，特别是在具有严格人类种属特异性的疾病或病原体研究中具有不可替代的优越性。

9 单细胞分析技术

自2009年以来，单细胞分析实现了从一个细胞转录组分析拓展到同时对几万个甚至上百万个细胞进行转录组、基因组、代谢中间产物、细胞表面抗原分子等多层面组学分析。这些技术突破使得绘制人类与各种模式生物体内所有细胞图谱成为可能。在未来的10年里，单细胞分析技术有望推动构建人类所有重大疾病细胞图谱，深化对个体内病变细胞类型、数量以及对药物敏感异质性的认识，从而成为临床精确诊断、个性化治疗和靶向治疗的重要基础。

1 0 组织再生修复材料

目前，组织再生修复材料已成功应用于皮肤、血管、角膜、骨、软骨以及口腔软、硬组织等缺损的再生修复中。此外，结合数字医学技术和3D打印技术，组织再生修复材料还可用于缺损的个性化精准治疗。据预测，全球再生医学的市场规模将从2018年的100.7亿美元，增长到2025年的489.7亿美元，复合年增长率为25.4%。

医学工程研究前沿TOP10

科技的飞速发展正在改变人类的生活方式，医疗领域也一直在孕育颠覆性的革命。为此，医药卫生领域组研判的TOP10工程研究前沿聚焦未来医疗，谋求突破发展。

1 人工智能在生物医药的应用研究

此研究是运用人工智能技术，开展医学数据（包括影像、图谱、病历，及其他医学传感信息）驱动下的健康筛查与预警、疾病诊断与治疗、康复训练与评估、医疗服务与管理、药物筛查与评估、基因测序与表型等典型生物医药领域的精准、智能、安全应用研究。总体来看，人工智能在生物医药的应用研究正在通过弥补人类能力短板的智能辅助形式，推动医疗技术进入一个新的时代，促进医疗健康进入量化分析、个体化规划以及实时监控的新阶段。

2 肠道微生态和稳定免疫

近年来，大量研究表明，肠道微生态在感染、肝病、代谢性疾病、自身免疫病、肿瘤、大脑和神经精神系统等疾病中具有关键作用，已经成为攻克重大疾病发病机制难题的突破口。调控肠道微生态不但可以直接治疗或辅助治疗感染、肝病、代谢性疾病、自身免疫病和肿瘤等疾病，而且能够改善大多数疾病发生发展和治疗中造成的微生态破坏及其相应的健康损害，促进康复。

3 脑科学的神经计算和类脑智能研究

通过定量分析、计算模型和构建受脑启发的随机计算方法，深入研究神经系统的原理和动力学，破译大脑信息处理与神经编码的原理，解码大脑工作原理，同时，在上述研究基础上，通过信息技术予以参照、模拟和逆向工程，模拟大脑高级认知功能机理，发展类脑智能算法，形成以“类脑智能引领人工智能发展”为标志的新一代人工智能通用模型与算法、类脑芯片器件和类脑智能各类工程技术应用等新型研究领域。包含以下两个方向：一方面涵盖了对大脑运算本质的神经生物学研究；另一方面，通过计算方法解码大脑智能原理，创建新的智能技术，将广泛覆盖人工智能相关的各个领域。

4 类器官芯片及其生物医学应用研究

主要目标是在微流控芯片上将具有干细胞潜能的细胞培养形成细胞团，模拟、研究并控制细胞在体外培养过程中的自我更新、自我组装等生物学行为，进而表现出与来源组织相似的空间结构，并在芯片上再现器官的部分关键功能，从而实现药物筛选评价、遗传疾病建模、细胞治疗等多领域的应用。

5 肿瘤免疫治疗

肿瘤免疫治疗是通过重新启动肿瘤特异性免疫应答，恢复机体正常的抗肿瘤免疫系统活性，从而控制与清除肿瘤的治疗方法。具有三大特点，包括适应证不断扩大，寻找精准受益人群，联合治疗趋势明显。目前，肿瘤免疫治疗在黑色素瘤、肺癌、结直肠癌等恶性肿瘤的治疗中都已经取得重大突破。

6 个体化肿瘤治疗疫苗

此疫苗的关键技术是发现和筛选新抗原，其核心是用于预测新抗原和人类白细胞抗原（HLA）结合力的算法。目前，国内已有多家研发机构和企业布局个体化肿瘤治疗性疫苗。未来个体化肿瘤治疗性疫苗的发展方向主要在于加深对肿瘤免疫机制认识、优化筛选新抗原的算法、发展临床前肿瘤模型、缩短疫苗生产周期和发展结合疗法，等等。

7 干细胞在再生医学中的应用研究

此研究目的在于修复病变或缺损的细胞、组织或器官，主要依赖于种子细胞，尤其是干细胞。基于干细胞治疗的再生医学的发展有可能为医学的发展带来新的革命，并为传统医疗方法无法治疗或治愈的疾病带来新的希望。进一步激活科研院所、医疗机构和医药企业之间的合作，政府政策制定部门推动干细胞产业布局，将会是推动干细胞在再生医学领域中应用向前迈进的关键之举。

8 肿瘤微环境代谢异质性与相互作用

肿瘤细胞、间质细胞和细胞外基质等共同构成的局部环境的代谢不均匀性及其复杂性，具有低氧、低pH和局部营养缺乏等特点。肿瘤细胞与微环境中的细胞成分（成纤维细胞、免疫和炎性细胞和血管内皮细胞等）和非细胞成分（包括细胞外基质、细胞因子、补体等）发生相互作用，协同促进肿瘤发生发展。

9 单细胞测序与疾病诊断

此诊断通过对单个或是少量细胞的基因组、转录组或表观组进行测序、分析，进而进行疾病诊断及指导治疗策略的技术。适用于细胞量较少（如生殖细胞及早期胚胎、循环肿瘤细胞）以及组织细胞异质性较大（如卵巢或子宫组织、肿瘤组织）情况下的精确诊断及用药指导。此技术在肿瘤免疫微环境及免疫治疗方面可实现对药物和治疗方案的选择。

10 3D 打印技术在再生医学的应用研究

利用3D打印技术制备出与患者生理结构和功能相匹配的组织或器官，从而达到替代和重建器官功能的目的。随着相关技术的发展，3D打印在再生医学领域已经经历了从单种细胞打印到多种细胞打印，并逐步向组织和类器官打印迈进。通过进一步研究与发展后，3D打印技术应提供具有适当解剖结构、力学性能、生物学功能的个性化再生医学产品，从而真正实现组织与器官在结构与功能上的精准再生，为再生医学的发展提供足够的物质和理论保证。