前不久，世界經(jīng)濟論壇在達沃斯年會上公布了2016年度十大新興技術(shù)，這些技術(shù)無疑會在改善人們生活、推動行業(yè)變革和維護地球生態(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)對人類的好處外，也更顧及其對環(huán)境的影響。對于持續(xù)關(guān)注前沿科技的動脈網(wǎng)（公眾號：vcbeat）來說，我們對其中的醫(yī)療相關(guān)技術(shù)充滿興趣，并通過本文對此進行了解讀。

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

物聯(lián)網(wǎng)正處在迅速發(fā)展擴張的階段，分析師們預(yù)計直到2020年時，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備總數(shù)量會達到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)進行監(jiān)控的設(shè)備。比如，當(dāng)你下班回家時，房門會識別確認你是主人，自動開門。又如一位心臟病患者，當(dāng)他的心臟已經(jīng)出現(xiàn)了機能衰弱的跡象時，被植入了患者體內(nèi)的心臟監(jiān)護器就會收到信號并且立即向醫(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別的傳感器縮小到對納米級別，這樣就可以使納米傳感器進入人體循環(huán)系統(tǒng)中。這項關(guān)鍵研究是傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)向納米級物聯(lián)網(wǎng)邁進的第一步，一旦成功，納米級物聯(lián)網(wǎng)將會對未來的醫(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)的工具來修飾單細胞生物如細菌的方法，已經(jīng)制作出了一些目前世界上最先進的納米傳感器。他們的目標是研制出一種外形簡潔時尚的生物電腦，這種生物電腦可以利用DNA和蛋白質(zhì)去識別的特定的化學(xué)物質(zhì)靶標，并存儲大量信息，然后改變顏色或者編輯一些易于檢測的信號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峻的挑戰(zhàn)。其中，需要跨越的一個技術(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)備用于檢測變化和向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信號。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別物聯(lián)網(wǎng)還將會對未來的建筑、農(nóng)業(yè)等方面產(chǎn)生巨大影響。當(dāng)納米時代真正來臨時，我們的身體、家庭、環(huán)境、工廠都會得到更好的發(fā)展。在未來，你將會看到幾十億、幾百億的納米傳感器收到海量的實時信息，并同步到云端。

讓開放式人工智能系統(tǒng)成為你的個人健康助理

與大多數(shù)普通人相比，公司CEO擁有一個明顯優(yōu)勢是他們不需要花費過多時間在日?，嵤律?，如安排約會、做行程安排計劃、搜索信息等，因為他們會聘請私人助理來處理處理這些事情。但隨著一個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OK Google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}進行識別處理，但是它們也常常會給出：“對不起，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)還是受到專利保護的，所以很難為它們擴展新的功能。

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設(shè)備和計算機并通過它們進入短信、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)和提供個性化的健康咨詢，可以實質(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、生活和工作上的細節(jié)。如果高價聘請助理，他就會觀察到你什么時候無聊、疲倦、饑餓或者生病，同時還會知道什么人、什么事物對你很重要。因此，這也是開放式人工智能系統(tǒng)的目標發(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。

與高薪聘請的真人助理相同，數(shù)字時代的AI助手也會忠誠的為我們服務(wù)，并且保護我們的健康、安全和隱私。它們將會以客戶利益最大化為服務(wù)宗旨，這些對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各種刺激會做出怎樣的反應(yīng)，并且已經(jīng)繪制出基因是怎樣在整個腦中表達的，但是他們當(dāng)時無法控制單神經(jīng)元，以及開啟和關(guān)閉其他種類的腦細胞。對于研究人員來說，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，對于帕金森氏癥和抑郁癥等疾病也不能進行有效的治療。

科學(xué)家們曾經(jīng)嘗試過利用電極來記錄神經(jīng)元的活動，這在一定程度上是有效的。但是因為電極刺激會刺激到附近的每一個神經(jīng)元，所以根本無法區(qū)分不同種類的腦細胞，得到的記錄結(jié)果也顯得粗糙、不精準。

直到2005年，這個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，即利用基因工程的方法使神經(jīng)元對特殊顏色的光作出反應(yīng)。這種技術(shù)于20世紀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)家將一個或多個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)能對不同顏色都做出響應(yīng)，從深紅色到綠色到黃色再到藍色都可以實現(xiàn)。通過將不同的基因?qū)氩煌募毎偈褂酶鞣N顏色的光脈沖來激活一個神經(jīng)元，就能夠在精確的時間序列上確定幾個相鄰的神經(jīng)元。

這個難題的解決是神經(jīng)科學(xué)發(fā)展中的一項重要進步，畢竟對于具有生命活性的大腦來說，時間是非常關(guān)鍵的。因為即使大腦發(fā)送出的是相同信號，如果時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)展加快推動了腦科學(xué)發(fā)展前進的步伐，但是實驗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腦組織中，并且對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)對其的治療暫時還不能實現(xiàn)。

人體器官芯片技術(shù)為醫(yī)藥研究帶來了新的機遇

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驗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，完整器官的移植對于科學(xué)實驗中的應(yīng)用非常珍貴。但是，其實許多重要的生物學(xué)研究和實際藥物測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)了一項新技術(shù)，在芯片上就可以實現(xiàn)這方面的需求。

在2010年，來自Wyss研究所的Donald Ingber研制出了一種肺芯片，首次在芯片實現(xiàn)了這種技術(shù)。于是各機構(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)界以及政府達成合作關(guān)系，包括美國國防部高級研究計劃局，為此投入了7500萬美元。截至目前，已經(jīng)有多家媒體報道過肺、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研究所采用制作計算機芯片的技術(shù)，將活的人體器官細胞植入到芯片中，同時芯片可以模擬細胞在人體內(nèi)的環(huán)境。一個器官芯片的體積與一個閃盤相當(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胞相連，可以在芯片內(nèi)復(fù)雜的管道中流動。當(dāng)營養(yǎng)物質(zhì)、血液、需要測試的化合物，如實驗性藥物從微流管中泵入時，這些器官的細胞能復(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胞，薄膜的另一面鋪滿血管細胞。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，同時帶動中間的通道一同收縮，于是肺細胞也跟著收縮，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，血液中的細菌也可以從通道進入，科學(xué)家們就可以觀察到細胞在細菌感染后的免疫反應(yīng)，這些實驗對人體都不會造成任何風(fēng)險。因此，這項技術(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)機制和生理行為。

為醫(yī)藥研究帶來新機遇

器官芯片的出現(xiàn)將推動新藥研發(fā)。藥企可以通過模擬人體器官的功能，去更加真實、精確的測試篩選藥物。在2015年，就有一家公司使用芯片模仿內(nèi)分泌細胞分泌激素到血液中的途徑，并使用該內(nèi)分泌細胞芯片對治療糖尿病的藥物進行了關(guān)鍵測試。還有一些團隊正在探索如何在個性化醫(yī)學(xué)上使用器官芯片。從原理上說來，患者自身細胞構(gòu)建是可以用于這些芯片上的。對其進行測試，結(jié)果顯示能夠運行，因此器官芯片在個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)中藥物實驗對于實驗動物的依賴性。全世界每年都有數(shù)以百萬計的動物因為藥物實驗犧牲，在社會上引發(fā)著激烈的爭論。除開倫理的考慮，研究人員已經(jīng)證明實驗動物的巨大浪費是因為很少有人能夠在藥物如何在人類體內(nèi)反應(yīng)提出可靠見解，因此需要通過大量重復(fù)的動物實驗進行研究。在這方面，與在動物身上進行藥物測試相比，通過器官芯片測試可能會取得更好的效果。