基于人體的工程學研究具有悠久的歷史。它起源于解剖學，應用于各科手術、監測等技術領域中。在過去的二十年間，借助新型技術的發展，生物醫學工程經歷了一次飛躍式前進。各種人造植入物、醫療輔助設備和模型深入醫學領域，工程學與生物學、醫學領域之間的交叉地帶變得更加廣闊。

      近期，為了討論工程學在醫學領域中的發展與作用，IEEE 醫學和生物學工程學會（EMBS）、約翰·霍普金斯大學（JHU）生物醫學工程系和加州大學圣地亞哥分校（UCSD）生物工程系聯合組織了為期兩天、題為“工程與醫學交叉領域的巨大挑戰”的研討會。

      研討會后，參與會議的生物醫學工程領域專家聯盟又經歷了數月的深入討論，最終確定了五項重大挑戰，內容涉及精準醫療、再生醫學、大腦接口、免疫科學以及基因工程。該聯盟指出，如果使用先進的生物醫學工程方法解決這些挑戰，可以極大地改善人類健康?；谶@五個領域，該聯盟還制定了未來研究和資助的路線圖。

      上述內容最終由來自全球 34 所著名大學的 50 名知名研究人員組成聯盟撰寫為論文 Grand Challenges at the Interface of Engineering and Medicine，并發布于 IEEE Open Journal of Engineering in Medicine and Biology 期刊。

▲圖丨工程與醫學交叉領域的巨大挑戰（來源：IEEE Open Journal of Engineering in Medicine and Biology）

      該論文作者之一、約翰霍普金斯大學生物醫學工程系教授兼主任 Michael I. Miller表示，“我們在這里所取得的成就將成為突破性研究的路線圖，以改變未來十年的醫學格局。該工作組的成果將轉化為重要研究和培訓機會，有望在未來幾十年在工程和醫學領域產生共鳴?！?/span>


挑戰一：連接精準工程和精準醫學，打造個性化生理學

      以病理機制指導疾病診斷與治療的方法始于 19 世紀。然而直到今日，即便是對于那些具有潛在發病率和死亡率的普通疾病而言，誤診仍然存在。此外，包括癌癥、心血管和自身免疫性疾病在內的眾多疾病需要針對病患采取個體化、針對性的治療手段。

      上述需求引發了人們對于精準醫學的關注，其中的重點包括根據合并癥、遺傳學、環境和生活方式等因素確定對于個體患者的有效治療方法。專家聯盟將這種新方法稱為AccuMedicine，即精準工程和精準醫學的結合，由此涉及到工程和醫學領域中的多方面挑戰。

      在數字化時代，相關工作者可以收集到大量的患者個體數據，臨床醫生則能夠利用這些數據來開發精確的個人生理學模型，其被稱為“化身”（avatars）。“化身”實際上是一組精確的患者個體數據，通過將個體患者數據與個性化護理、診斷、風險預測、和治療聯系起來，有望改善醫療效果、成本以及患者體驗。對于該方法而言，可穿戴傳感器和數字孿生等先進技術將成為應對該挑戰的基礎。

      此外值得注意的是，美國國會最近批準了一項法案，允許提交體外獲得的人體生理數據取代臨床前動物數據，用于研究藥物應用。


挑戰二：SmartHuman——按需開發人類組織和器官

      人類生命的長度和質量很大程度上取決于重要器官的功能。隨著社會步入老齡化階段，需要修復或更換受損組織和器官的人群逐漸增多。

      在 20 世紀 80 年代末，通過將工程學與生命科學相融合，組織工程學應運而生。該領域旨在利用實驗室培育的生物替代品修復或替換受損組織和器官。

      隨著 iPSC 技術、基因編輯、生物傳感器和器官芯片等技術的出現，傳統的組織工程學發生了改變。新興技術使得器官功能的恢復與再生成為了可能，并且進一步推動了新治療方式的發展。如今，按需開發組織和器官（無論是永久植入物還是臨時植入物）正在成為現實。

      對于該發展方向，干細胞工程、組織工程和相關制造技術方向上的關鍵進展將在其中起到主導作用。另一方面，組織和器官工程的規模化、智能化背后涉及復雜的交叉領域問題，需要各個行業的共同參與，包括醫生、生理學家、生物醫學工程師、生物學家、電氣和設備工程師以及計算機科學家等。

      此外，監管機構和生物制造原理將在技術轉化中發揮關鍵作用。包括人體組織/器官形態和功能的設計原則和規則、干細胞工程以及植入設備/組織的傳感/反饋集成等多個領域的研究將構成這一重大挑戰的基礎。


挑戰三：利用 AI 設計大腦接口系統，徹底改變神經科學

      幾十年來，研究人員在捕獲大腦結構和功能信息方面取得了巨大進步。不僅有磁共振成像、腦磁圖和腦電圖等常用設備，最近的腦機接口（BCI）可穿戴設備也迎來了快速進展。

      盡管如此，人類對于大腦功能以及與其實現交互的發展進程才剛剛開始。特別是在腦部疾病領域，對于病因的探查以及疾病治療依然存在巨大挑戰。而在全球范圍內，包括阿爾茨海默?。ˋD）、慢性疼痛或其它神經系統疾病的人群十分龐大，因此針對于大腦疾病的研究對于改善老年人的生活大有幫助。

      利用傳感設備和計算方面的進步，腦機接口（BCI）技術使得醫生理解大腦、并且干預大腦成為了可能。由此帶來的挑戰是，設計能夠與大腦交互并使大腦正常運轉的系統。

      在先進系統的支持下，專家表示針對于大腦的侵入性和非侵入性測量技術有望得到進一步發展，這將導致對于腦科學疾病的深入理解。除此之外，存儲芯片、神經假體等康復技術或將為恢復人類神經功能帶來希望。特別是在網絡時代中，研究人員能夠通過日常監測以分析大腦的各種狀態，從而無創地查明部分疾病的病理性原因。

      總體而言，該領域涉及了大腦和中樞（CNS）、外周（PNS）和腸（ENS）神經系統。通過人工智能、神經接口等技術的快速進展，研究人員對于神經系統性能的理解將得到進一步深化。


挑戰四：利用免疫系統以保持健康

      隨著對于“免疫工程”科學的不斷深挖，利用免疫系統來重新設計人體細胞已經成為了現實。免疫療法為癌癥治療領域帶來了疫苗、基因組、表觀基因組和蛋白質工程方面的創新，并且能夠與納米醫學技術、功能基因組學和合成轉錄控制方面結合起來。

      在過去的幾十年里，免疫科學已經從單一的免疫細胞發展到了今天的復雜免疫細胞庫和群體動態。然而，許多功能尚未被了解，并且新的細胞因子仍在不斷被識別。對此，研究人員強調，新的免疫工程工具將成為促進免疫科學發展的有力推手，其將為工程免疫療法和下一代疫苗的發展鋪平道路。

      對于該領域而言，細胞測序和基因組編輯、細胞制造和材料科學技術、CAR-T 療法與數據科學等是發展的基礎。特別是干細胞和系統生物學、以及發育和系統/合成/計算生物學知識將在理解免疫系統方面發揮重要作用。


挑戰五：通過設計和改造基因組，制造工程化生命

      基因組突變是眾多疾病的根源。如果能夠修正發生于基因層面的“錯誤”，或許就可以治療疾病。在過去的二十年里，研究人員設計了眾多精確且高效的基因工程工具，例如 CRISPR-Cas 系統。它們提供了小分子藥物無法實現的治療策略，然而該領域中仍存在兩個基本挑戰：研究者對于人類基因組的可塑性和表觀遺傳調控的了解有限，并且缺乏有效的體內遞送工具。

      論文強調，了解人類基因組的設計原理及其活性可以幫助人們為不同疾病創建解決方案。而對于體內基因工程的遞送而言，生物醫學工程是解決該問題的有效方法之一。

      毋庸置疑的是，現階段人類對于基因組、表觀遺傳調控的了解以及對于轉錄和翻譯過程的控制水平依然較低，因此了解基因組乃至構建表觀遺傳工具自然是發展重點。

      而對于基因療法而言，其遞送系統需要同時滿足以下條件：安全，高效且可組織靶向，可調諧，可重復，可制造以實現廣泛的可及性。這就需要生物學家、化學工程師和系統工程師之間的跨學科合作。


結語

     論文的作者之一、來自加州大學圣地亞哥分校生物工程教授 Shankar Subramaniam認為，這些挑戰提供了改變工程和醫學實踐的獨特機遇，包括多尺度傳感器和設備形式的創新、人形“化身”的創建以及人工智能驅動的預測模型的開發等，這些都有可以從根本上改變我們的生活方式和對疾病的反應。同時，他也強調了機構在改變生物醫學和工程教育、培訓優秀人才解決人類健康問題上的重要作用。

      精準醫療、再生醫學、大腦接口、免疫科學和基因工程等五大挑戰領域的發展都需要跨學科的合作和創新。這種合作趨勢是推動未來發展的重點，有望為改善醫療效果、降低成本并改善患者體驗做出重大貢獻。

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