前不久，世界經(jīng)濟(jì)論壇在達(dá)沃斯年會(huì)上公布了2016年度十大新興技術(shù)，這些技術(shù)無疑會(huì)在改善人們生活、推動(dòng)行業(yè)變革和維護(hù)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(duì)人類的好處外，也更顧及其對(duì)環(huán)境的影響。對(duì)于持續(xù)關(guān)注前沿科技的動(dòng)脈網(wǎng)來說，我們對(duì)其中的醫(yī)療相關(guān)技術(shù)充滿興趣，并通過本文對(duì)此進(jìn)行了解讀。

納米傳感器和納米級(jí)物聯(lián)網(wǎng)將對(duì)醫(yī)學(xué)產(chǎn)生巨大影響

物聯(lián)網(wǎng)正處在迅速發(fā)展擴(kuò)張的階段，分析師們預(yù)計(jì)直到2020年時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備總數(shù)量會(huì)達(dá)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(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控的設(shè)備。比如，當(dāng)你下班回家時(shí)，房門會(huì)識(shí)別確認(rèn)你是主人，自動(dòng)開門。又如一位心臟病患者，當(dāng)他的心臟已經(jīng)出現(xiàn)了機(jī)能衰弱的跡象時(shí)，被植入了患者體內(nèi)的心臟監(jiān)護(hù)器就會(huì)收到信號(hào)并且立即向醫(yī)生呼救。

目前，科學(xué)家已經(jīng)開始了縮小傳感器的研究，希望能將毫米或微米級(jí)別的傳感器縮小到對(duì)納米級(jí)別，這樣就可以使納米傳感器進(jìn)入人體循環(huán)系統(tǒng)中。這項(xiàng)關(guān)鍵研究是傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)向納米級(jí)物聯(lián)網(wǎng)邁進(jìn)的第一步，一旦成功，納米級(jí)物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)對(duì)未來的醫(yī)學(xué)和醫(yī)藥制造產(chǎn)生巨大影響。

迄今為止，科學(xué)家通過使用合成生物學(xué)的工具來修飾單細(xì)胞生物如細(xì)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(biāo)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(shí)別的特定的化學(xué)物質(zhì)靶標(biāo)，并存儲(chǔ)大量信息，然后改變顏色或者編輯一些易于檢測(cè)的信號(hào)來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(xiàn)在致力于將經(jīng)計(jì)算生物學(xué)研究可治療一些罕見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(jí)別物聯(lián)網(wǎng)的過渡已經(jīng)是不可避免的，但也即將面臨一些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。其中，需要跨越的一個(gè)技術(shù)障礙是需將自供電納米設(shè)備所需的所有組件集成，該設(shè)備用于檢測(cè)變化和向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信號(hào)。其它障礙包括一些關(guān)于隱私和安全的棘手問題。由于納米材料本身存在毒性，因此導(dǎo)入體內(nèi)的任何納米器件，都對(duì)人體都有一定的毒性或引發(fā)一系列的免疫反應(yīng)。

除了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域之外，納米傳感器與納米級(jí)別物聯(lián)網(wǎng)還將會(huì)對(duì)未來的建筑、農(nóng)業(yè)等方面產(chǎn)生巨大影響。當(dāng)納米時(shí)代真正來臨時(shí)，我們的身體、家庭、環(huán)境、工廠都會(huì)得到更好的發(fā)展。在未來，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。

讓開放式人工智能系統(tǒng)成為你的個(gè)人健康助理

與大多數(shù)普通人相比，公司CEO擁有一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是他們不需要花費(fèi)過多時(shí)間在日?，嵤律?，如安排約會(huì)、做行程安排計(jì)劃、搜索信息等，因?yàn)樗麄儠?huì)聘請(qǐng)私人助理來處理處理這些事情。但隨著一個(gè)開放式人工智能系統(tǒng)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。

蘋果Siri、微軟Cortana、谷歌OKGoogle以及亞馬遜Echo，都可以通過自然語言程序?qū)⑷祟愄岢龅膯栴}進(jìn)行識(shí)別處理，但是它們也常常會(huì)給出：“對(duì)不起，我不知道這件事”或者“這是我從網(wǎng)上找到的”的答復(fù)，因此用戶不可能把它們和忠誠的助理聯(lián)系起來。此外，這些系統(tǒng)還是受到專利保護(hù)的，所以很難為它們擴(kuò)展新的功能。

在過去的幾年中，一些新興技術(shù)的誕生都是以建立功能強(qiáng)大的、擬人化的數(shù)字助理為目的，因此就出現(xiàn)了開放式人工智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以連接到我們的移動(dòng)設(shè)備和計(jì)算機(jī)并通過它們進(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(shè)備、甚至汽車。在互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)下，用戶的個(gè)人數(shù)據(jù)之間是互相連接的，無論身處何地都可以做到即刻與開放式人工智能系統(tǒng)交談，這將在未來幾年內(nèi)提升數(shù)百萬人的生活水平以和幸福感。

有了開放式人工智能系統(tǒng)，通過收集一些匿名健康數(shù)據(jù)和提供個(gè)性化的健康咨詢，可以實(shí)質(zhì)性的改善用戶的健康狀況并且為他們減少醫(yī)療方面的開支。截至現(xiàn)在，機(jī)器在很大程度上是不能察覺到我們的身體、生活和工作上的細(xì)節(jié)。如果高價(jià)聘請(qǐng)助理，他就會(huì)觀察到你什么時(shí)候無聊、疲倦、饑餓或者生病，同時(shí)還會(huì)知道什么人、什么事物對(duì)你很重要。因此，這也是開放式人工智能系統(tǒng)的目標(biāo)發(fā)展方向，研究者們正在努力讓系統(tǒng)獲得這些能夠理解人類的能力。

與高薪聘請(qǐng)的真人助理相同，數(shù)字時(shí)代的AI助手也會(huì)忠誠的為我們服務(wù)，并且保護(hù)我們的健康、安全和隱私。它們將會(huì)以客戶利益最大化為服務(wù)宗旨，這些對(duì)人工智能的研究來說都是很有趣且意義重大的挑戰(zhàn)。

升級(jí)光遺傳技術(shù)照亮神經(jīng)學(xué)

在過去，神經(jīng)學(xué)家和心理學(xué)家可以觀察到大腦對(duì)各種刺激會(huì)做出怎樣的反應(yīng)，并且已經(jīng)繪制出基因是怎樣在整個(gè)腦中表達(dá)的，但是他們當(dāng)時(shí)無法控制單神經(jīng)元，以及開啟和關(guān)閉其他種類的腦細(xì)胞。對(duì)于研究人員來說，解釋大腦產(chǎn)生行為是通過什么路徑完成的，本身就是一件非常困難的事。因此，對(duì)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?cè)?jīng)嘗試過利用電極來記錄神經(jīng)元的活動(dòng)，這在一定程度上是有效的。但是因?yàn)殡姌O刺激會(huì)刺激到附近的每一個(gè)神經(jīng)元，所以根本無法區(qū)分不同種類的腦細(xì)胞，得到的記錄結(jié)果也顯得粗糙、不精準(zhǔn)。

直到2005年，這個(gè)難以解決的問題終于有了新突破。據(jù)神經(jīng)基因?qū)W家們探索發(fā)現(xiàn)，可以利用一種新的技術(shù)來記錄神經(jīng)元的活動(dòng)，即利用基因工程的方法使神經(jīng)元對(duì)特殊顏色的光作出反應(yīng)。這種技術(shù)于20世紀(jì)70年代建立，被稱為光遺傳技術(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光隨意控制特定的神經(jīng)元開啟或關(guān)閉。多年來，科學(xué)家們已經(jīng)使這些蛋白質(zhì)能對(duì)不同顏色都做出響應(yīng)，從深紅色到綠色到黃色再到藍(lán)色都可以實(shí)現(xiàn)。通過將不同的基因?qū)氩煌募?xì)胞，再使用各種顏色的光脈沖來激活一個(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(xiàng)重要進(jìn)步，畢竟對(duì)于具有生命活性的大腦來說，時(shí)間是非常關(guān)鍵的。因?yàn)榧词勾竽X發(fā)送出的是相同信號(hào)，如果時(shí)間相差幾毫秒就有可能出現(xiàn)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(yàn)人員在將光深度傳送到腦組織的問題上卻又遇到了阻礙。好在現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一種靈活的超薄無線微芯片，它們可以被深度插進(jìn)腦組織中，并且對(duì)腦覆蓋組織的損傷非常小。這種設(shè)備正在被作為注射裝置來幫助無線控制神經(jīng)元，目前還處于測(cè)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了新的大門。還有研究表明，在某些情況下，非侵入性光療法能通過關(guān)閉特定的神經(jīng)細(xì)胞來治療慢性疼痛。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源，可惜光遺傳學(xué)對(duì)其的治療暫時(shí)還不能實(shí)現(xiàn)。

人體器官芯片技術(shù)為醫(yī)藥研究帶來了新的機(jī)遇

或許除了在好萊塢的特效工廠以外，你不可能看到漂浮在生物實(shí)驗(yàn)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(duì)于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)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(cè)試只通過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。隨著人體器官向微型功能器件發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)了一項(xiàng)新技術(shù)，在芯片上就可以實(shí)現(xiàn)這方面的需求。

在2010年，來自Wyss研究所的DonaldIngber研制出了一種肺芯片，首次在芯片實(shí)現(xiàn)了這種技術(shù)。于是各機(jī)構(gòu)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(dá)成合作關(guān)系，包括美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局，為此投入了7500萬美元。截至目前，已經(jīng)有多家媒體報(bào)道過肺、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(jì)算機(jī)芯片的技術(shù)，將活的人體器官細(xì)胞植入到芯片中，同時(shí)芯片可以模擬細(xì)胞在人體內(nèi)的環(huán)境。一個(gè)器官芯片的體積與一個(gè)閃盤相當(dāng)，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(xì)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(xì)胞相連，可以在芯片內(nèi)復(fù)雜的管道中流動(dòng)。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、血液、需要測(cè)試的化合物，如實(shí)驗(yàn)性藥物從微流管中泵入時(shí)，這些器官的細(xì)胞能復(fù)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，薄膜上布滿小孔。在薄膜的上面鋪滿一層肺細(xì)胞，薄膜的另一面鋪滿血管細(xì)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(cè)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(xì)胞也跟著收縮，這就模擬了人體肺泡在呼吸過程中的收縮生理過程。同樣的，血液中的細(xì)菌也可以從通道進(jìn)入，科學(xué)家們就可以觀察到細(xì)胞在細(xì)菌感染后的免疫反應(yīng)，這些實(shí)驗(yàn)對(duì)人體都不會(huì)造成任何風(fēng)險(xiǎn)。因此，這項(xiàng)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過的生物學(xué)機(jī)制和生理行為。

為醫(yī)藥研究帶來新機(jī)遇

器官芯片的出現(xiàn)將推動(dòng)新藥研發(fā)。藥企可以通過模擬人體器官的功能，去更加真實(shí)、精確的測(cè)試篩選藥物。在2015年，就有一家公司使用芯片模仿內(nèi)分泌細(xì)胞分泌激素到血液中的途徑，并使用該內(nèi)分泌細(xì)胞芯片對(duì)治療糖尿病的藥物進(jìn)行了關(guān)鍵測(cè)試。還有一些團(tuán)隊(duì)正在探索如何在個(gè)性化醫(yī)學(xué)上使用器官芯片。從原理上說來，患者自身細(xì)胞構(gòu)建是可以用于這些芯片上的。對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示能夠運(yùn)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(yī)藥行業(yè)中藥物實(shí)驗(yàn)對(duì)于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的依賴性。全世界每年都有數(shù)以百萬計(jì)的動(dòng)物因?yàn)樗幬飳?shí)驗(yàn)犧牲，在社會(huì)上引發(fā)著激烈的爭(zhēng)論。除開倫理的考慮，研究人員已經(jīng)證明實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的巨大浪費(fèi)是因?yàn)楹苌儆腥四軌蛟谒幬锶绾卧谌祟愺w內(nèi)反應(yīng)提出可靠見解，因此需要通過大量重復(fù)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。在這方面，與在動(dòng)物身上進(jìn)行藥物測(cè)試相比，通過器官芯片測(cè)試可能會(huì)取得更好的效果。

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