一、醫(yī)工交叉助力病毒檢測與疫苗研發(fā)
醫(yī)工交叉后疫情時代繼續(xù)發(fā)力，高通量病毒檢測的基因芯片，光子、微電子等病毒快速檢測新方法和新技術，肺和結腸類器官芯片研發(fā)用于疫苗和候選藥物篩選，以及泛冠狀病毒疫苗研發(fā)方面正在取得新的進展。
1） 病毒檢測中的基因芯片：臺灣矽基分子公司首創(chuàng)新冠病毒快速檢測拋棄式生物芯片。相較于PCR或快篩只有一個檢測點，該新冠病毒快速檢測拋棄式生物芯片采用生物矽基場效電晶體技術，將每顆芯片上搭載上萬支生物探針，如同上萬個檢測點，可以達成更高的準確率與靈敏度。在擷取生物檢體如鼻咽喉黏液，或唾液里的新冠病毒核酸后，迅速產生上萬個數(shù)據，可以在20分鐘內篩檢出體內病毒含量極低的感染初期或無癥狀的新冠病毒患者。
2） 病毒快速檢測：復旦大學團隊研發(fā)了一種新型傳感器，通過微電子技術分析 拭子中的遺傳物質，可以在 4 分鐘的時間內檢測到新冠病毒核酸。除檢測速度快之外，還具有靈敏度高、操作簡單、便于攜帶等特點，該項成果發(fā)表在2022年的Nature Biomedical Engineering。
3） 類器官芯片助力病毒藥品研發(fā)：上海交通大學聯(lián)合威爾康奈爾醫(yī)學院、西奈山伊坎醫(yī)學院，利用類器官芯片成功篩選出新冠治療候選藥物，成果在《Nature》上發(fā)表。研究表明，肺和結腸類器官可以作為研究新冠病毒感染和鑒定潛在的新冠肺炎（COVID-19）療法的疾病模型，實現(xiàn)藥物的高通量篩選。
4） 泛冠狀病毒疫苗：2022年4月，Nature子刊《Nature Reviews Drug Discovery》發(fā)文表示公共衛(wèi)生研究人員正在探索應對新冠病毒長期威脅的路徑，并以流感疫苗為模型，研發(fā)一種冠狀病毒通用疫苗，最終實現(xiàn)每年注射一次即可為新冠病毒的未來變種提供持久保護。泛冠狀病毒疫苗能夠“廣泛保護”病毒不同的變異。2022年3月，Moderna推出的臨床前候選藥物mRNA-1287旨在預防導致10%-30%成人普通感冒的兩種α冠狀病毒和兩種β冠狀病毒。美國馬里蘭州沃爾特里德陸軍研究所正在開發(fā)一種佐劑納米粒子候選疫苗（Spike ferritin nanoparticle，SpFN），相關研究成果已經在小鼠中進行了動物實驗，并發(fā)表在Cell期刊上。研究結果表明，SpFN疫苗引發(fā)了針對SARS-CoV-2、異源SARS-CoV-1和新冠受關注變體的強大體液和細胞介導的免疫反應。
參考文獻：
[1] Wang, L., Wang, X., Wu, Y. et al. Rapid and ultrasensitive electromechanical detection of ions, biomolecules and SARS-CoV-2 RNA in unamplified samples. Nat. Biomed. Eng 6, 276–285 (2022).
[2] Han, Y., Duan, X., Yang, L. et al. Identification of SARS-CoV-2 Inhibitors using Lung and Colonic Organoids. Nature (2020).
[3] Dolgin E. Pan-coronavirus vaccine pipeline takes form. Nat Rev Drug Discov. 2022 May;21(5):324-326.
[4] Walls AC, Miranda MC, Schäfer A, et al. Elicitation of broadly protective sarbecovirus immunity by receptor-binding domain nanoparticle vaccines. Cell. 2021 Oct 14;184(21):5432-5447.
二、自主操作手術機器人與微納靶向診療機器人
自主操作手術機器人在軟組織與硬組織手術中均取得突破，手術機器人正逐步從智能定位與操作工具向智能助手方向快速演變發(fā)展；微納靶向診療機器人通過體內操控，為未來疾病的診療提供新的思路和方法。
1） 軟組織手術機器人自主操作：2022年，來自約翰·霍普金斯大學的研究團隊設計出一款智能軟組織自主機器人 STAR, 并將其成果發(fā)表在Science Robotics雜志上。該機器人在沒有人類指導的情況下，成功完成對一頭豬的軟組織腹腔鏡手術。這是軟組織手術機器人向自主手術操作方向邁出的重要一步。STAR 的特別之處在于，它是第一個幾乎不需要人工干預規(guī)劃、調整和執(zhí)行軟組織手術計劃的機器人系統(tǒng)。研究團隊為 STAR 配備了增強自動性和改善手術精度的新功能，這些功能包括專門的縫合工具和最先進的成像系統(tǒng)，可提供更為精確的手術區(qū)域的可視化。由于軟組織形變的不可預測性，軟組織手術對機器人自動控制來說尤其困難，因為它們必須具備快速應對意外變化的適應能力。而 STAR 具備的新型控制系統(tǒng)使其能像人類外科醫(yī)生一樣實時調整手術計劃。
2） 硬組織手術機器人自主操作：2022年，北京積水潭醫(yī)院和北京航空航天大學共同研發(fā)出智能化骨折復位機器人，完成了臨床應用并發(fā)表在《Journal of Clinical Medicine》上。移位性骨盆骨折是創(chuàng)傷性骨科中最復雜的骨折之一，骨折復位是手術的重要過程，要求在大負載下完成骨折塊精準的6自由度位置和姿態(tài)調整。該團隊設計的手術機器人，通過實時三維導航和力位協(xié)同控制，實現(xiàn)了機器人自主操作下的骨盆骨折閉合復位，推動骨科手術機器人從定位導航、輔助操作向自主操作方向發(fā)展。
3） 微納靶向診療機器人：中科院研究團隊開發(fā)了一個磁-聲序貫驅動CAR-T細胞智能微型機器人，通過主動靶向與免疫激活調控，成功克服復雜的體內生理屏障與腫瘤免疫微環(huán)境抑制。該研究成果發(fā)表于國際材料化學領域權威期刊《Advanced Materials》。序貫驅動引導的CAR-T細胞微納生物機器人結合并繼承了智能機器人自主靶向和屏障穿透的優(yōu)點和原位免疫激活的抗腫瘤特性，在未來工程細胞的主動靶向給藥和抗腫瘤免疫治療領域展現(xiàn)出巨大的潛力。
參考文獻：
[1] De Momi E, Segato A. Autonomous robotic surgery makes light work of anastomosis[J]. Science Robotics, 2022, 7(62): eabn6522.
[2] Saeidi H, Opfermann J D, Kam M, et al. Autonomous robotic laparoscopic surgery for intestinal anastomosis[J]. Science robotics, 2022, 7(62): eabj2908.
[3] Ge Y, Zhao C, Wang Y, et al. Robot-assisted autonomous reduction of a displaced pelvic fracture: a case report and brief literature review[J]. Journal of Clinical Medicine, 2022, 11(6): 1598.
[4] Tang X, Yang Y, Zheng M, et al. Magnetic-acoustic Sequentially Actuated CAR T cell Microrobots for Precision Navigation and in-situ Antitumour Immunoactivation [J]. Advanced Materials, 2023: 2211509.
三、醫(yī)工創(chuàng)新加速合成生物學發(fā)展
生物醫(yī)學工程的大量技術突破，推動合成生物學進入快速發(fā)展階段，在基因編輯、體外合成、醫(yī)藥健康以及農畜牧種子、食品工業(yè)等領域應用成果凸顯，能夠突破原有生物系統(tǒng)的限制，創(chuàng)造出更加滿足個性化需求的新型生物系統(tǒng)。
1） 基因編輯技術的迭代升級，極大提高了人工生物改造的能力：美國康奈爾大學與美國麻省理工學院相關團隊先后發(fā)現(xiàn)和解析了新的CRISPR-Cas系統(tǒng)Cas7-11，該系統(tǒng)可以通過gRNA引導靶向激活蛋白酶Csx29，該蛋白酶受到激活之后可以對天然的蛋白底物進行切割并誘導細胞死亡，這些發(fā)現(xiàn)使得對哺乳動物細胞中基于蛋白酶的可編程RNA檢測應用成為可能，有望探索出全新的精準醫(yī)療思路。天津大學合成生物學團隊創(chuàng)新DNA存儲算法，將十幅敦煌壁畫存入DNA中，設計了基于德布萊英圖理論的序列重建算法來解決DNA斷裂等問題，保障了DNA長期儲存的可靠性，經驗證在常溫下可儲存上千年，使得DNA分子成為世界上最可靠的數(shù)據存儲介質之一，為長期保存人類歷史文化遺產提供了一個潛在的數(shù)字化解決方案。
2） 新型載體結構的構建，為研發(fā)與工程領域提供優(yōu)質的“細胞工廠”：上海交通大學、英國布里斯托大學和法國國家科學研究中心的研究人員開發(fā)了一種活體材料組裝方法，基于對單個凝聚劑微滴內空間分離的細菌菌落的捕獲和現(xiàn)場處理，用于內源性構建結構和形態(tài)復雜的合成細胞，證明了一種自下而上構建功能性原生微裝置的細菌學策略，并為制造新的合成細胞模塊和增強的活體/合成細胞構造提供了機會。丹麥技術大學、美國勞倫斯伯克利國家實驗室、加州大學伯克利分校和深圳先進技術研究院將整酵母系統(tǒng)改造用來生產抗癌藥長春堿的合成前體長春多靈和長春質堿，是有史以來在微生物中重組的最長的生物合成途徑，設計56個基因編輯和30多個酶促反應，是合成生物學的一項重磅突破，甚至可以用來生產其他包括治療癌癥、疼痛、瘧疾和帕金森病的潛在藥物。加州大學圣地亞哥分校研究團隊通過基因工程改造天然大腸桿菌使其能夠遞送特定基因，從而影響宿主的多種代謝系統(tǒng)，包括改善糖尿病，為相關基本的治療提供了新的思路[7]。
參考文獻：
[1] Hu C, van Beljouw SPB, Nam KH, et al. Craspase is a CRISPR RNA-guided, RNA-activated protease. Science, 2022, 377: 1278-85
[2] Strecker J, Demircioglu FE, Li D, et al. RNA-activated protein cleavage with a CRISPR-associated endopeptidase. Science, 2022, 378: 874-81
[3] Kato K, Okazaki S, Schmitt-Ulms C, et al. RNA-triggered protein cleavage and cell growth arrest by the type III-E CRISPR nuclease-protease. Science, 2022, 378: 882-9
[4] Song L, Geng F, Gong Z Y, et al. Robust data storage in DNA by de Bruijn graph-based de novo strand assembly[J]. Nature Communications, 2022, 13(1): 5361.
[5] Xu C, Martin N, Li M, et al. Living material assembly of bacteriogenic protocells[J]. Nature, 2022, 609(7929): 1029-1037.
[6] Zhang J, Hansen L G, Gudich O, et al. A microbial supply chain for production of the anti-cancer drug vinblastine[J]. Nature, 2022, 609(7926): 341-347.
[7] Russell B J, Brown S D, Siguenza N, et al. Intestinal transgene delivery with native E. coli chassis allows persistent physiological changes[J]. Cell, 2022, 185(17): 3263-3277. e15.
四、人工器官
醫(yī)工交叉在材料、結構、控制和生肌電信號處理技術方面的進步，推動可穿戴紡織外肌、人工心臟、人工眼等人工器官研發(fā)取得突破，有望模擬被替代器官維持生命所必需的最重要功能，從而達到暫時或永久性地恢復身體某些器官主要功能。
1） 可穿戴紡織外肌：來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的科研人員針對行動不便人群，開發(fā)了一種可穿戴的紡織外肌——Myoshirt，可作為額外的肌肉層。這種材料將可穿戴機器人化身為“肌肉布料”，能增強上臂的力量和耐力。該項研究發(fā)表在期刊《Nature Machine Intelligence》上。Myoshirt可以與用戶一起自主移動，通過補償作用于肩部的70%重力來減輕手臂的重量。所使用的重力輔助控制器可僅根據預定的用戶特征、用戶移動意圖和人機交互力生成輔助力，在操作過程中不需要額外輸入。
2） 人工心臟輔助裝置：2022年10月31日，全球人工心臟巨頭Abiomed公司宣布，該公司具有Smart Assist功能的Impella RP Flex獲得FDA上市前批準（PMA），該產品可用于治療右心衰竭。系統(tǒng)從通往心臟的大腔靜脈采集血液，并通過管道將其輸送到右心房和心室，然后將其泵出到肺動脈，繞過器官，以每分鐘超過4升的速度將血液推向肺部。該產品采用了世界上最小的經皮右心機械循環(huán)支持（MCS）技術，無需體外血液循環(huán)，便可幫助患者實現(xiàn)原生的心臟康復。其優(yōu)點包括通過頸內靜脈（IJ）實現(xiàn)單靜脈插入，方便患者活動；無肝素清洗，在肝素不耐受或出血引起肝素問題時，使用碳酸氫鈉簡化患者抗凝治療；帶有Impella Connect的Smart Assist雙傳感器技術，幫助跟蹤泵的血流管理，并提供指標來幫助醫(yī)生及時讓病人脫離支持系統(tǒng)。發(fā)表在 Journal of Heart and Lung Transplantation 上的研究數(shù)據表明，接受Impella RP支持的人可快速改善血流動力學，逆轉休克并獲得良好的存活率：在心源性休克發(fā)生的48小時內，Impella RP患者的存活率為73%。
3） 人工眼：Pixium Vision 致力于為嚴重視力喪失的患者提供仿生的視覺系統(tǒng)。Prima以光感的形式引發(fā)功能性人工或仿生視覺，部分替代自然的中央視覺損失。Prima系統(tǒng)由三個主要元素組成：無線視網膜植入物、一副帶攝像頭和數(shù)字投影儀的眼鏡以及一個迷你處理器。視覺場景由迷你計算機進行處理和簡化，以便從圖像中提取有用的信息。然后將簡化的圖像發(fā)送回眼鏡，在那里微型數(shù)字投影儀通過近紅外光脈沖將處理過的圖像通過瞳孔投射到PRIMA無線光伏視網膜下植入物上。PRIMA 植入物的光伏電池將這種光信息轉化為電刺激，以激發(fā)內部視網膜的雙極神經細胞，隨后在大腦中誘導視覺感知。2022年初在Nature Communications上發(fā)表一篇論文的同行評審表明，Prima系統(tǒng)在治療干性AMD方面的高度創(chuàng)新和有前途的性質。
參考文獻：
[1] Georgarakis A M , Xiloyannis M , Wolf P , et al. A textile exomuscle that assists the shoulder during functional movements for everyday life[J]. Nature Machine Intelligence.
[2] https://www.abiomed.com/about-us/news-and-media/press-releases/impella-rp-flex-with-smartassist-receives-fda-approval-to-treat-right-heart-failure
[3] Palanker D , Mer Y L , Mohand-Said S , et al. Simultaneous Perception of Prosthetic and Natural Vision in AMD Patients. Nature Communications. 2022.
五、腦機接口
結合神經科學、信號處理和機器學習的知識，對來自神經元的信息進行轉換，并將其傳送給外部機器進行控制。多項研究正在進入人體實驗階段，用以提升腦中風癱瘓殘疾患者的生活質量。
1） 腦電信號編碼實現(xiàn)文字交流：2022年3月22日，發(fā)表在Nature Communications上的一項研究，讓一位37歲的ALS患者在沒有任何自主肌肉控制的情況下，通過形成單詞和短語進行交流。該系統(tǒng)包括將一個帶有微電極的設備植入患者的大腦，并使用一個定制的計算機軟件來幫助翻譯他的大腦信號。兩個微電極陣列放置在中央前回和額上回。神經信號在神經信號處理器上進行預處理，并在電腦上進一步利用機器學習模型實時處理和解碼。每日神經反饋訓練中如果達到性能標準，則患者開始使用拼寫；如果沒有達到標準，則根據神經反饋數(shù)據重新估計參數(shù)，并進行進一步的訓練。這種人工智能工具將符號映射為“是”或“否”的含義，借助拼寫程序會讀出字母表中的字母，最終破譯參與者想要交流的內容，直到形成完整的單詞，該系統(tǒng)可實現(xiàn)大約每分鐘一個字符的速度造句。
2） 植入式腦機接口系統(tǒng)首次臨床試驗：2022年5月5日，Synchron公司搶先宣布開始在美國進行名為“COMMAND”研究的首次人體臨床試驗，首位COMMAND患者在紐約西奈山醫(yī)院參加了臨床試驗。Synchron開發(fā)了一種名為Stentrode的設備，以幫助嚴重癱瘓的病人。該公司的目標是讓患者能夠通過血管內的腦部植入物控制數(shù)字設備，而不是用手控制。Stentrode 通過頸靜脈微創(chuàng)植入大腦運動皮層，由網狀材料制成，帶有16個傳感器，傳感器可以擴展到血管壁上，再連接到胸部的一個電子設備，轉發(fā)來自運動皮層的大腦信號，使患者能夠完成包括短信、電子郵件、網上購物和遠程醫(yī)療服務等日常任務。
參考文獻：
[1] Spelling interface using intracortical signals in a completely locked-in patient enabled via auditory neurofeedback training[J]. Nature Communications.
[2] https://synchron.com/
六、ChatGPT與數(shù)字療法
ChatGPT等AI技術深度融入疾病診療與咨詢，助力醫(yī)生制定更精準的診療方案。數(shù)字療法基于AI、虛擬現(xiàn)實等技術，通過數(shù)字化方法實現(xiàn)疾病的預防、干預、治療和控制，形成一類創(chuàng)新醫(yī)療產品和服務。
1） ChatGPT輔助診斷：新一代臨床輔助決策系統(tǒng)（CDSS）是ChatGPT最有可能應用于醫(yī)療的領域之一。新一代CDSS依賴于自然語言處理（NLP）的助力，只能處理文本信息。相較之下，支撐ChatGPT的大型語言模型（LLM）不僅包含了NLP，還包含眾多其他系統(tǒng)，使其具備整合電子病例、圖像，檢查數(shù)據、基因組，甚至微生物組序列信息的能力。一項研究利用30個臨床病歷對ChatGPT診斷疾病的表現(xiàn)進行了評估。實驗結果發(fā)現(xiàn)，ChatGPT能夠對28個病例做出正確診斷（準確率93.3%），遠高于以前的癥狀檢測工具。
2） 視覺數(shù)字療法：2022年10月，美國食品和藥物管理局(FDA)授予Luminopia One作為改善弱視（懶惰眼）處方療法上市的批準?；颊咴谔摂M現(xiàn)實(VR)設備中觀看經過治療修改的電視節(jié)目和電影以改善視力。Nunap Vision通過使用虛擬現(xiàn)實設備來提供感知訓練，以幫助治療由腦損傷（例如中風）引起的視野缺陷，臨床療效已在概念驗證研究中得到證實。
3） Pear Therapeuticsre公司開發(fā)的reSET應用，是針對物質使用障礙（SUD）患者的90天處方數(shù)字治療（PDT），旨在為18歲以上患者提供認知行為療法（CBT），作為應急管理系統(tǒng)的輔助手段在臨床醫(yī)生的監(jiān)督下接受門診治療。
4） Happify Connect：Happify Health公司開發(fā)的心理健康管理平臺，可以讓使用者能夠與心理健康護理機構建立聯(lián)系，從而更有利于在家中實現(xiàn)交流。該平臺將使用心理健康資源引導患者進行精神疾病的治療，包括Happify平臺內的自我指導工具，通過在線治療和心理醫(yī)生為患者提供更具備個性化的治療方案。
5） NightWare：旨在幫助創(chuàng)傷后應急障礙癥（PTSD）等受創(chuàng)傷噩夢困擾的人獲得更寧靜的睡眠。該應用利用了Apple Watch的可穿戴特性，并獲得了FDA突破創(chuàng)新設備認證。該系統(tǒng)是利用智能手表的運
動和心率數(shù)據來檢測用戶會在什么時候做惡夢，并振動手表腕帶作出回應，把用戶喚醒并打斷惡夢，維持睡眠質量。
參考文獻：
[1] Hirosawa T, Harada Y, Yokose M, Sakamoto T, Kawamura R, Shimizu T. Diagnostic Accuracy of Differential-Diagnosis Lists Generated by Generative Pretrained Transformer 3 Chatbot for Clinical Vignettes with Common Chief Complaints: A Pilot Study. Int J Environ Res Public Health. 2023 Feb 15;20(4):3378. doi: 10.3390/ijerph20043378. PMID: 36834073; PMCID: PMC9967747.
七、AI、大數(shù)據輔助藥物研發(fā)
人工智能可以通過對靶點結構，理化性質的大數(shù)據學習，預測新的藥物靶點，設計具有潛在可能的化合物，加速藥物分子篩選和優(yōu)化過程，縮短藥物研發(fā)時間，提高研發(fā)效率。
1） AlphaFold預測蛋白質結構：2022年7月，Google旗下的人工智能公司DeepMind與歐洲生物信息研究所合作在Nature發(fā)表新進展，利用AlphaFold預測出超過100萬個物種的2.14億個蛋白質結構，幾乎涵蓋了地球上所有已知蛋白質。DeepMind 表示：“從今天開始，確定科學已知的幾乎所有蛋白質的3D形狀將像在谷歌搜索中輸入一樣簡單”，AlphaFold算法可以快速預測蛋白質的復雜三維結構，從而有助于理解蛋白質功能和識別藥物靶標。這對于藥物研發(fā)領域具有重大意義，因為蛋白質結構決定了其功能和相互作用。AlphaFold的出現(xiàn)可以大大縮短藥物設計和篩選的時間和成本, 這一突破將加速新藥開發(fā)，并為基礎科學帶來全新革命。
2） 基于空間結構的化合物表征學習方法：2022年2月，百度在《Nature Machine Intelligence》上發(fā)表了AI+生物計算的最新研究成果，提出“基于空間結構的化合物表征學習方法”，即“幾何構象增強AI算法”（GEM模型），將化合物的幾何結構信息引入自監(jiān)督學習和分子表示模型，對化合物進行“3D建模”，以預測化合物分子的性質屬性。其在藥物篩選上的應用，可在數(shù)小時內完成傳統(tǒng)仿真方法1年的工作量，效率提升上千倍，有望大幅降低藥物研發(fā)的時間投入和成本投入。該工作為AI賦能藥物研發(fā)領域的又一項重磅成果。
3） AI輔助研發(fā)藥物加速FDA獲批：2022年4月，BioXcel Therapeutics公司宣布，使用BioXcel的AI平臺開發(fā)的藥物Igalmi獲FDA批準。Igalmi (dexmedetomidine，右美托咪啶) 是一種舌下膜劑，旨在減少被診斷為雙相情感障礙或精神分裂癥患者的躁動發(fā)作，易于使用、可以快速起效。IGALMI™（右美托咪定）是首個經FDA批準上市的口腔舌下膜劑。BioXcel 稱Igalmi的獲批是AI的勝利，因為該藥物由AI 平臺開發(fā)，從獲批IND到藥物上市僅用了4年。目前BioXcel在最大限度地提高lgalmi治療全譜激越的機會。公司正在進行一項III期臨床試驗，將右美托咪定用于急性治療阿爾茨海默病（AD）患者的躁動。
4） AI輔助蛋白質結構研究：2022年3月，華盛頓大學蛋白設計研究所在Nature發(fā)表文章[3]，介紹了一種僅根據靶點蛋白的結構信息就可以進行蛋白質從頭設計的方法，同年7月，華盛頓大學蛋白質設計研究所在Science發(fā)表文章[4]，描述了如何采用兩種深度學習方法來設計含有預先指定的功能位點的蛋白質，通過專門訓練的RoseTTAFold網絡，在單次向前傳遞中創(chuàng)建一個可行的蛋白質骨架。這些方可以對治療和診斷中各種蛋白質上的位點進行針對性的設計，在藥物研發(fā)中具有廣泛的用途。
參考文獻：
[1] Callaway E. 'The entire protein universe': AI predicts shape of nearly every known protein. Nature. 2022;608(7921):15-6.
[2] Fang X, Liu L, Lei J, He D, Zhang S, Zhou J, et al. Geometry-enhanced molecular representation learning for property prediction. Nature Machine Intelligence. 2022;4(2):127-34.
[3] Cao L, Coventry B, Goreshnik I, Huang B, Sheffler W, Park JS, et al. Design of protein-binding proteins from the target structure alone. Nature. 2022;605(7910):551-60.
[4] Wang J, Lisanza S, Juergens D, Tischer D, Watson JL, Castro KM, et al. Scaffolding protein functional sites using deep learning. Science. 2022;377(6604):387-94.
八、柔性生物傳感器
基礎科學的發(fā)展推進新型柔性傳感器的設計與制造，在心臟實時監(jiān)測與同步成像、病毒快速檢測、大腦和腸道內的多種神經遞質檢測、腦電信號更精細的獲取等方面取得突破；集成穿戴式可持續(xù)監(jiān)測成為柔性傳感器的研究熱點，助力腫瘤檢測、生理活動與健康狀態(tài)監(jiān)測。
1） 基礎科學的發(fā)展推進新型柔性傳感器的設計：各種新型材料與結構的出現(xiàn)，為新型柔性生物傳感器的設計提供了基礎。美國普渡大學西拉法葉分校機械工程學院研究人員制備了一種海綿狀形式的多孔柔性有機硅復合材料，具有優(yōu)異的流變性能，能夠實現(xiàn)心臟實時監(jiān)測與同步成像。斯坦福大學研發(fā)團隊開發(fā)了基于石墨烯的柔性可拉伸神經化學生物傳感器NeuroString，其具有優(yōu)越的長期神經化學檢測穩(wěn)定性，可以同時針對性地實時檢測大腦和腸道內的多種神經遞質動力學。德州大學奧斯汀分校與德州農工大學團隊研發(fā)了可穿戴的柔性連續(xù)血壓監(jiān)測傳感器，基于電生物阻抗利用石墨烯電子紋身作為人體生物電子接口，用于監(jiān)測動脈血壓>300分鐘，比以前的研究報告長10倍。加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院的研究人員設計了一種新的大腦傳感器陣列，基于鉑納米棒的傳感器網格僅有10微米厚，比目前臨床批準的ECoG網格更薄、更靈活,可以隨著大腦移動，實現(xiàn)更緊密的連接和更好的記錄。通過來自人類和大鼠的數(shù)據，證明了該陣列可以直接從人腦表面記錄電信號，并以破紀錄的細節(jié)記錄下來。
2） 集成穿戴式可持續(xù)監(jiān)測成為柔性傳感器的研究熱點：隨著柔性生物傳感器在醫(yī)學領域的廣泛應用，多功能集成、穿戴式及可持續(xù)監(jiān)測逐漸成為該領域的研究熱點。來自斯坦福大學的研究團隊設計并制造出了一種新型可穿戴設備，這種新型設備帶有可拉伸且靈活的傳感器，可以通過粘附在人體皮膚上實時測量和記錄患者的腫瘤大小。傳感器的實時數(shù)據能夠讓研究人員通過連續(xù)記錄腫瘤大小的變化，來跟蹤給定藥物的即時藥效學反應，進而實現(xiàn)有效治療。美國加州大學洛杉磯分?？蒲袌F隊基于磁彈效應制備了一款可拉伸的、寬壓力探測范圍的、自供電柔性生物傳感器，對于不同種類的生理活動均有準確的監(jiān)測與識別。美國加州理工學院以及加利福尼亞大學的研究人員開發(fā)了一種可穿戴柔性電化學生物傳感器，該傳感器可用于連續(xù)分析人體在體育鍛煉和休息狀態(tài)時汗液中多種代謝物和營養(yǎng)物質，包括所有必需氨基酸和維生素，通過監(jiān)測代謝物以實現(xiàn)在早期識別異常健康狀況。
參考文獻：
[1] Kim B, Soepriatna A H, Park W, et al. Rapid custom prototyping of soft poroelastic biosensor for simultaneous epicardial recording and imaging[J]. Nature Communications, 2021, 12(1): 3710.
[2] Li J, Liu Y, Yuan L, et al. A tissue-like neurotransmitter sensor for the brain and gut[J]. Nature, 2022, 606(7912): 94-101.
[3] Kireev D, Sel K, Ibrahim B, et al. Continuous cuffless monitoring of arterial blood pressure via graphene bioimpedance tattoos[J]. Nature Nanotechnology, 2022, 17(8): 864-870.
[4] Tchoe Y, Bourhis A M, Cleary D R, et al. Human brain mapping with multithousand-channel PtNRGrids resolves spatiotemporal dynamics[J]. Science translational medicine, 2022, 14(628): eabj1441.
[5] Abramson A, Chan CT, Khan Y, et al. A flexible electronic strain sensor for the real-time monitoring of tumor regression. Sci Adv. 2022 Sep 16;8(37):eabn6550. Doi: 10.1126/sciadv.abn6550.
[6] Zhao X, Chen G, Zhou Y, et al. Giant magnetoelastic effect enabled stretchable sensor for self-powered biomonitoring[J]. ACS nano, 2022, 16(4): 6013-6022.
[7] Wang M, Yang Y, Min J, et al. A wearable electrochemical biosensor for the monitoring of metabolites and nutrients[J]. Nature Biomedical Engineering, 2022: 1-11.
九、創(chuàng)新醫(yī)學影像
基于原子磁力計的心磁、腦磁成像技術產業(yè)化突破，實現(xiàn)心臟活動和腦內神經活動的實時無創(chuàng)探測，助力心血管冠心病及阿茲海默癥的早期發(fā)現(xiàn)。自動超聲診斷系統(tǒng)結合自動影像采集與人工智能算法，提供更加自動化的影像診斷服務。
1） 原子磁力計心磁、腦磁圖儀：基于原子磁力計技術研發(fā)的原子磁力計心磁圖儀獲得國內首張醫(yī)療器械產品注冊證。該設備在電磁環(huán)境復雜的醫(yī)療環(huán)境中可實現(xiàn)對僅有地球磁場數(shù)百萬分之一大小的心臟磁場信息的準確探測，適用于大規(guī)模、各年齡段人群的冠心病早期篩查、胸痛快速分診及胎兒心臟功能評估，同時也為心臟病預后長期監(jiān)測、病灶定位、疑難心臟病輔助診斷等臨床科研應用提供全新工具。國內也即將推出基于原子磁力計技術的腦磁圖儀。由于原子磁力計腦磁圖在非侵入性腦機接口領域可提供最大的傳輸帶寬，其理論精度可接近甚至超過皮層腦電等侵入性腦機接口技術，這一技術還可與經顱磁刺激（TMS）等神經干預的技術手段相結合，在腦機接口領域擁有很大的實用化前景，有望在未來的腦機融合領域發(fā)揮不可估量的作用。
2） 光泵磁力計可以更早更精準檢測神經退行性疾病：薩塞克斯大學的研究團隊近期展示了光泵磁力計（optically-pumped magnetometers, OPMs）相較于傳統(tǒng)的超導磁量子探測器(superconducting quantum interference devices，SQUID)在記錄腦磁信號方面具有更大的優(yōu)勢，能夠幫助醫(yī)生更早地發(fā)現(xiàn)像阿爾茨海默氏癥這樣的神經退行性疾病。光泵磁力計不需要使用液氦，傳感器固定位置也更靈活，因此可以比SQUID更靠近患者頭骨，達到更高的時間和空間分辨率。實驗結果顯示光泵磁力計記錄的腦磁信號幅度比SQUID高4倍，響應速度也比SQUID更快。
3） 自動乳腺超聲診斷系統(tǒng)：GE醫(yī)療發(fā)布全新自動乳腺超聲診斷系統(tǒng)Invenia™ ABUS 2.0，專為致密型乳腺超聲篩查診斷設計，配備了美國FDA PMA認證的超聲輔助篩查技術。該設備上集成了由FDA批準的第三方人工智能工具QVCAD和KOIOS DS Breast 提供支持的智能算法，以協(xié)助檢測和表征乳腺病變，幫助放射科醫(yī)生提高閱讀速度并簡化工作流程；該設備還實現(xiàn)了標準化容積超聲影像采集和云端傳輸，為專家提供遠程閱片的條件。
參考文獻：
[1] Gialopsou, A., Abel, C., James, T.M. et al. Improved spatio-temporal measurements of visually evoked fields using optically-pumped magnetometers. Sci Rep 11, 22412 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-01854-7
十、中醫(yī)藥標準化、穴位機理研究
中醫(yī)藥標準化近期已由國際標準化組織頒發(fā)正式文件，中醫(yī)相關網絡數(shù)據庫平臺正在向綜合、標準、實用發(fā)展。中醫(yī)穴位機理的研究在穴位敏化、治療癌癥等重大疾病都有最新突破。
1） 中醫(yī)藥國際標準化建設取得新進展：中醫(yī)藥標準化工作對健康有序推動中醫(yī)藥領域關鍵問題的標準化工作意義重大。國際標準化組織（ISO）正式發(fā)布了《中醫(yī)藥-診斷詞匯-第一部分：舌象》《中醫(yī)藥-診斷詞匯-第二部分：脈象》2項中醫(yī)診斷名詞術語的國際標準；世界中醫(yī)藥學會聯(lián)合會發(fā)布了《網絡藥理學評價方法指南》（SCM0061-2021）。Li X等學者構建了中醫(yī)藥網絡平臺LTM-TCM，目前是中國最全面的中醫(yī)藥數(shù)據庫，包括:（1）高質量集成14個中醫(yī)藥權威數(shù)據庫的數(shù)據，包括41025個臨床治療記錄和213本中醫(yī)古籍。（2）通過內部生物醫(yī)學自然語言處理（BioNLP）方法，準確校正超過3000萬篇文獻中的多源中醫(yī)交互關系（癥狀、方劑、藥材、成分和靶點之間）。（3）多樣化的跨領域管道（如生物活性成分篩選、靶點預測和機制預測等）有助于傳統(tǒng)醫(yī)學與現(xiàn)代科學在分子和表型水平上的共同方面的融合。
2） 中醫(yī)穴位機理研究：中醫(yī)經絡穴位的機理是近年的研究熱點。痛覺感受器是穴位的反應器之一，負責針灸操作并將針灸信號傳遞到脊柱或椎上水平。最近的證據表明，各種疾病導致致敏穴位的感覺超敏和功能可塑，即穴位致敏。神經源性炎癥是致敏穴位的主要病理特征；然而，穴位致敏的潛在機制尚不清楚。近年來的研究報道，沉默C-痛覺受體(silent C-nociceptors, SNs)，在組織損傷或內臟功能障礙的情況下，會被感覺末梢和免疫細胞釋放的炎癥物質“喚醒”。SNs可由健康狀態(tài)下的機械不敏痛覺受體轉變?yōu)闄C械敏痛覺受體。激活的SNs是否參與穴位敏化的機制，并參與針刺手法機械信號的傳遞還尚在研究階段。
3） 穴位刺激治療化療副作用、促進癌癥治療的機理研究：包括化療誘導的周圍神經病變(CIPN)、認知障礙(CICI)、胃腸道毒性(GI)以及骨髓抑制和免疫抑制。穴位刺激可通過降低氧化應激和神經炎癥，調節(jié)背根神經節(jié)、脊髓背角和十二指腸的5羥色胺系統(tǒng)，從而減弱CIPN和GI。穴位刺激還可以激活孤束核的迷走神經活動，促進胃腸道神經肽激素的分泌，從而緩解胃腸道癥狀。穴位刺激可恢復骨髓造血功能和免疫功能，以對抗癌癥。此外，穴位刺激與化療相結合可通過促進腫瘤細胞凋亡和化療藥物在腫瘤組織中的富集，調節(jié)腫瘤免疫微環(huán)境和血管正?；瘉硪种颇[瘤生長。多種證據表明，穴位刺激的作用可能與神經免疫調節(jié)有關，如下圖所示的穴位刺激聯(lián)合化療治療癌癥的潛在神經免疫調節(jié)機制[3]。
參考文獻：
[1] Li X, Ren J, Zhang W, et al. LTM-TCM: A comprehensive database for the linking of Traditional Chinese Medicine with modern medicine at molecular and phenotypic levels[J]. Pharmacological Research, 2022, 178: 1-9.
[2] Cui X, Liu K, Gao XY, et al. Advancing the understanding of acupoint sensitization and plasticity through cutaneous C-Nociceptors[J]. Frontiers in Neuroscience, 2022, 16: 1-12.
[3] Li SS, Zhao SH, Guo Y, et al. Clinical efficacy and potential mechanisms of acupoint stimulation combined with chemotherapy in combating cancer: A review and prospects[J]. Frontiers in Oncology, 2022, 12: 1-18.
京公網安備11010802046783號
