生命科學(xué)領(lǐng)域的5大新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2/2生命科學(xué)領(lǐng)域的5大新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2023-06-1917:47導(dǎo)讀

生命就像一曲美妙的音樂，而生命科學(xué)的研究目的，則是尋找生命背后的“樂譜”，探索人類自身發(fā)展及與自然交流交互的規(guī)律。得益于人工智能、腦機(jī)接口、基因剪輯等技術(shù)的突飛猛進(jìn)，人們有了更多解碼生命的工具，也為探索生命科學(xué)領(lǐng)域打開了更廣闊的想象空間。近日，《2022生命科學(xué)年度創(chuàng)新白皮書》發(fā)布，闡釋了生命科學(xué)五大細(xì)分領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢(shì)。以下，enjoy：

智慧實(shí)驗(yàn)：數(shù)字技術(shù)助力全流程降本增效，內(nèi)外部因素提供發(fā)展動(dòng)力

醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室是通過對(duì)來自人體的材料進(jìn)行生物學(xué)、微生物學(xué)、免疫學(xué)、化學(xué)、血液免疫學(xué)、血液學(xué)、生物物理學(xué)、細(xì)胞學(xué)、病理學(xué)或其他檢驗(yàn)，來實(shí)現(xiàn)疾病診斷、治療和預(yù)防，同時(shí)有助于開發(fā)新藥、新療法和新技術(shù)。

在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等數(shù)字技術(shù)支持下，國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室開始向數(shù)字化、智能化迭代升級(jí)，例如通過自動(dòng)化設(shè)備替代重復(fù)性高的機(jī)械性人工操作、通過信息化建設(shè)將實(shí)驗(yàn)室信息數(shù)據(jù)化從而避免人工記錄錯(cuò)誤、利用AI提供高效的數(shù)據(jù)分析和決策支持等。

目前，國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)智化建設(shè)主要呈現(xiàn)兩大顯著特征：

一是國內(nèi)智慧實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)多具備跨學(xué)科的復(fù)合背景。實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景是一個(gè)交叉性極強(qiáng)的領(lǐng)域，不僅需要具備生命科學(xué)、生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)等專業(yè)行業(yè)技能的人才，也需要掌握數(shù)據(jù)科學(xué)、AI、軟硬件工程等基礎(chǔ)學(xué)科技能的人才，以及真正理解科學(xué)家工作路徑、熟悉實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景的科研人才。

二是軟硬件一體的整體解決方案更受終端用戶青睞。生命科學(xué)領(lǐng)域涉及場(chǎng)景龐雜，定制化需求較高。不同實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景會(huì)有不同的使用需求，最難的一點(diǎn)是如何計(jì)劃和設(shè)計(jì)模塊化的設(shè)備來滿足客戶的非標(biāo)需求。比如粉劑、液體、膠狀和凝固狀等不同樣本，抓取方式不同，所需要的產(chǎn)品方案也不同。因此相關(guān)服務(wù)企業(yè)需要深度理解實(shí)驗(yàn)室的科研場(chǎng)景、具體需求以獲得認(rèn)可和復(fù)購。

腦科學(xué)：腦機(jī)接口與腦部疾病診療并重，內(nèi)外部因素提供發(fā)展動(dòng)力

腦科學(xué)一直是全球生命科學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景中的熱門研發(fā)領(lǐng)域。據(jù)動(dòng)脈網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，在我國國內(nèi)43個(gè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中，有4個(gè)專注于腦科學(xué)方向，研究領(lǐng)域覆蓋從腦認(rèn)知到類腦技術(shù)。其中，腦認(rèn)知（探知大腦的功能、結(jié)構(gòu)及原理）研究占比70%，腦保護(hù)（針對(duì)腦部疾病治療開展的發(fā)病機(jī)制探索）研究占比27%，腦創(chuàng)造（類腦研究、腦機(jī)接口等）研究占比3%。

通常認(rèn)為，侵入式腦機(jī)接口是未來發(fā)展的重要方向，其需要采用神經(jīng)外科手術(shù)方法將采集電極植入大腦皮層、硬腦膜外或硬腦膜下。侵入式腦機(jī)接口的采集電極可分為剛性和柔性電極。其中，剛性電極技術(shù)較成熟、穩(wěn)定性好、電極密度高、耐體液腐蝕，但其硬度遠(yuǎn)高于腦組織，難以隨大腦運(yùn)動(dòng)，容易形成愈傷組織從而減弱信號(hào)，這讓柔性電極將成為未來重要的發(fā)展方向。

腦科學(xué)的基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)化到臨床應(yīng)用之上，推動(dòng)了國內(nèi)企業(yè)在腦部疾病及神經(jīng)病變相關(guān)的創(chuàng)新治療。

例如，君聯(lián)資本、聯(lián)想之星共同投資企業(yè)、AI腦科學(xué)診療平臺(tái)企業(yè)同心智醫(yī)，其搭建的產(chǎn)品研發(fā)平臺(tái)“同心腦科學(xué)”開發(fā)了腦部疾病診斷的新方法。針對(duì)傳統(tǒng)深度學(xué)習(xí)算法結(jié)果不可解釋、模型泛化性較差、臨床應(yīng)用落地受限等AI醫(yī)療行業(yè)痛點(diǎn)，同心智醫(yī)與清華大學(xué)教授團(tuán)隊(duì)達(dá)成深度技術(shù)合作，推出了國內(nèi)首個(gè)采用因果推斷、深度學(xué)習(xí)、血流動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的創(chuàng)新算法。該算法可以有效甄別出統(tǒng)計(jì)學(xué)的混雜因素，找出真正具有因果關(guān)系的疾病關(guān)聯(lián)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)分布狀態(tài)下的穩(wěn)定預(yù)測(cè)。通過統(tǒng)一算法平臺(tái)解決不同的腦科疾病問題，大幅度提高了算法魯棒性和可解釋性。

再生醫(yī)學(xué)：內(nèi)外部因素提供發(fā)展動(dòng)力

再生醫(yī)學(xué)即指利用生命科學(xué)、工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的理論和方法，融合材料科學(xué)、細(xì)胞技術(shù)、組織工程技術(shù)、基因工程技術(shù)等多項(xiàng)現(xiàn)代生物工程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)修復(fù)、替代和增強(qiáng)人體內(nèi)受損、病變或有缺陷的組織和器官的技術(shù)。

根據(jù)FDA統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)階段約20%的人體組織已經(jīng)具備了可商業(yè)化的再生醫(yī)學(xué)產(chǎn)品。另有70%的人體器官細(xì)胞、支架再生醫(yī)學(xué)產(chǎn)品進(jìn)入II期以上臨床試驗(yàn)階段。預(yù)計(jì)未來10年間，將有超過一半的人體組織和單一器官，比如腎臟、血管、胰腺等，會(huì)陸續(xù)出現(xiàn)可商業(yè)化的產(chǎn)品。

從產(chǎn)業(yè)實(shí)踐角度看，再生醫(yī)學(xué)行業(yè)主要分為生物再生材料、干細(xì)胞修復(fù)和再生器官三大方向。

●生物再生材料是采用組織工程技術(shù)，通過維持組織原有構(gòu)型而進(jìn)行固定、滅菌和消除抗原性等輕微處理，以及拆散原有構(gòu)型、重建新的物理形態(tài)等特殊處理加工而成的新型高技術(shù)材料。這種材料具有優(yōu)異的組織誘導(dǎo)性，主要應(yīng)用于骨科、神經(jīng)外科、心血管、眼科、口腔、醫(yī)美等領(lǐng)域。該方向發(fā)展相對(duì)成熟，各國在監(jiān)管層面也制定了嚴(yán)格的要求。

●由于生物再生材料需要依靠人體的可再生能力，而角膜、神經(jīng)細(xì)胞、心臟等不可再生的組織和器官無法通過這種方式再生，這就需要依靠干細(xì)胞技術(shù)來進(jìn)行修復(fù)?，F(xiàn)階段，基于干細(xì)胞修復(fù)的再生醫(yī)學(xué)產(chǎn)品的應(yīng)用疾病領(lǐng)域包括脊髓損傷、1型糖尿病、帕金森癥、阿爾茲海默癥、心臟病、中風(fēng)、燒傷、癌癥和骨關(guān)節(jié)炎等。

●再生器官被認(rèn)為是再生醫(yī)學(xué)的終極解決方案，其以細(xì)胞為基礎(chǔ)制造出的具有生物活性的人造器官，不需要電池等外界動(dòng)力，使用周期長(zhǎng)，也不會(huì)如傳統(tǒng)器官移植讓患者產(chǎn)生排斥反應(yīng)，是人造器官的“金字塔尖”。

目前，再生醫(yī)學(xué)企業(yè)大都聚焦于通過生物再生材料和干細(xì)胞技術(shù)修復(fù)組織和器官，并有部分企業(yè)取得積極進(jìn)展。

其中，聯(lián)想之星被投企業(yè)艾爾普再生醫(yī)學(xué)是國內(nèi)首家利用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）技術(shù)，進(jìn)行心肌、肝臟、神經(jīng)等組織器官再生應(yīng)用的生物科技公司。2023年2月，艾爾普再生醫(yī)學(xué)自主研發(fā)的心力衰竭細(xì)胞治療產(chǎn)品“人iPSC來源心肌細(xì)胞注射液”新藥臨床試驗(yàn)（IND）申請(qǐng)獲得國家藥品監(jiān)督管理局藥品審評(píng)中心臨床試驗(yàn)?zāi)驹S可，將進(jìn)一步推動(dòng)開展iPSC技術(shù)在心力衰竭治療中的臨床試驗(yàn)。

類器官：初步實(shí)現(xiàn)應(yīng)用邊界突破，內(nèi)外部因素提供發(fā)展動(dòng)力

類器官是胚胎干細(xì)胞、多能誘導(dǎo)干細(xì)胞等組織干細(xì)胞在體外三維培養(yǎng)所形成的微型器官，其在組織結(jié)構(gòu)、細(xì)胞類型和功能等方面與來源組織高度一致，為生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究、藥物研發(fā)以及臨床精準(zhǔn)醫(yī)療提供了理想模型。

類器官要想實(shí)現(xiàn)藥物代謝以及器官之間的相互作用等功能，必須要靠器官芯片承載。器官芯片是一種精密儀器，能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞長(zhǎng)期培養(yǎng)，并為實(shí)現(xiàn)器官功能提供必要的支持。類器官與器官芯片的結(jié)合，有望逐漸代替動(dòng)物模型、在藥物研發(fā)中發(fā)揮價(jià)值。

2022年8月，F(xiàn)DA批準(zhǔn)了全球首個(gè)基于器官芯片研究獲得臨床前數(shù)據(jù)的新藥進(jìn)入臨床試驗(yàn)，打通類器官在新藥研發(fā)中應(yīng)用的監(jiān)管環(huán)節(jié)，也進(jìn)一步提升類器官賽道的關(guān)注度。

但實(shí)際上，無論是在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)場(chǎng)景下，還是在監(jiān)管要求更為嚴(yán)苛的新藥研發(fā)中，類器官與器官芯片這兩項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)仍需做大量的初始化工作才能真正實(shí)現(xiàn)廣泛產(chǎn)業(yè)化。據(jù)動(dòng)脈新醫(yī)藥判斷，類器官當(dāng)前的發(fā)展階段可類比2014年或者2015年的NGS（新一代測(cè)序技術(shù)）。在技術(shù)的快速發(fā)展前期，推進(jìn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定可以提升客戶對(duì)技術(shù)的認(rèn)可度，而政策放開將進(jìn)一步打開商業(yè)化的窗口，兩者將成為行業(yè)發(fā)展的重要推力。

精準(zhǔn)用藥：向院內(nèi)和藥企等應(yīng)用市場(chǎng)進(jìn)軍，內(nèi)外部因素提供發(fā)展動(dòng)力

精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)是利用分子診斷技術(shù)獲取基因信息，通過結(jié)合蛋白功能組學(xué)、代謝組學(xué)和臨床數(shù)據(jù)深入了解疾病成因、病理階段及藥物代謝情況，以實(shí)現(xiàn)個(gè)體化治療的新型醫(yī)療模式。

其中，伴隨診斷是精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的重要一環(huán)，其是一種體外診斷技術(shù)，能夠檢測(cè)出有關(guān)患者針對(duì)特定治療藥物的治療反應(yīng)，有助于確定能夠從某一治療產(chǎn)品中獲益的患者群體，從而改善治療預(yù)后并降低保健開支。

隨著相關(guān)政策加速細(xì)化落地，伴隨診斷正快速向院內(nèi)和藥企等更加貼近臨床的應(yīng)用市場(chǎng)進(jìn)軍。

一方面，與醫(yī)院共建實(shí)驗(yàn)室模式成為基于NGS技術(shù)的伴隨診斷進(jìn)院的關(guān)鍵方式。對(duì)醫(yī)院而言，共建實(shí)驗(yàn)室解決了新技術(shù)在醫(yī)院落地的難題。對(duì)企業(yè)而言，共建實(shí)驗(yàn)室相比早前的樣本外送方式，效率更高、人力成本更少，而與醫(yī)院之間的相互關(guān)聯(lián)卻更強(qiáng)，為后續(xù)樣本上量奠定了更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。動(dòng)脈網(wǎng)梳理發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段，國內(nèi)頭部的腫瘤NGS企業(yè)紛紛與各地醫(yī)療機(jī)構(gòu)共建實(shí)驗(yàn)室。

另一方面，以腫瘤NGS為代表的伴隨診斷企業(yè)，與藥企的合作關(guān)系進(jìn)一步加深。2022年6月，《與抗腫瘤藥物同步研發(fā)的原研伴隨診斷試劑臨床試驗(yàn)注冊(cè)審查指導(dǎo)原則》正式發(fā)布