讓會聚科研為人類健康服務(wù)

張茜/編譯

讓會聚科研為人類健康服務(wù)

張茜/編譯

會聚技術(shù)：由斯坦福大學(xué)史蒂芬·奎科（Stephen Quake）設(shè)計的微集合裝置，用于一個精子中的DNA測序

●學(xué)科會聚：集物理科學(xué)、工程學(xué)與生物醫(yī)學(xué)為一體。

數(shù)十年來，科學(xué)家一直呼吁加強(qiáng)生命科學(xué)與物理學(xué)的融合?；诖?，我們提出了創(chuàng)建一個新的國家研究策略——我們稱之為“會聚科研”——旨在將工程學(xué)、物理學(xué)、計算科學(xué)、數(shù)理學(xué)與生物醫(yī)學(xué)整合為一體。幸運(yùn)的是，生物學(xué)日新月異的新發(fā)現(xiàn)、計算科學(xué)不斷增強(qiáng)的實(shí)力以及工程學(xué)在生物相容性材料和納米技術(shù)上新的關(guān)注點(diǎn)，使得這樣一種推動醫(yī)療衛(wèi)生進(jìn)步的策略蘊(yùn)含的潛力比以往任何時候都更加強(qiáng)大。在各界努力下應(yīng)運(yùn)而生的新技術(shù)的潛在影響力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過醫(yī)療保健本身：創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會；加快產(chǎn)品向市場推進(jìn)的步伐；改善從農(nóng)業(yè)到環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)以及能源生產(chǎn)的方方面面。如果我們選擇有意識地對這些新興技術(shù)進(jìn)行投資，那么這一切將構(gòu)成一幅前所未有的機(jī)遇藍(lán)圖?？上У侥壳盀橹?，我們還沒有這么做。我們把融合大變革的利益得失，以及我們應(yīng)當(dāng)做些什么來充分利用這樣的變革詳述于下。另外，也與來自全國各地的同行們合作形成了一份報告對此進(jìn)行深度分析。

會聚科研與跨學(xué)科研究息息相關(guān)，但會聚科研遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了合作的概念。它將歷史上各種不同學(xué)科與技術(shù)整合為統(tǒng)一的整體，創(chuàng)造了新的途徑和機(jī)遇。這樣的一種整合，會為生物醫(yī)學(xué)科學(xué)提供潛在的革命性變化。想一想由20世紀(jì)最偉大的會聚帶來的變化吧，它集物理學(xué)與工程學(xué)之大成，為我們創(chuàng)造了重塑世界的工具——收音機(jī)、電話、汽車、飛機(jī)、計算機(jī)、核能、衛(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)。如果我們對機(jī)構(gòu)、院校以及獨(dú)創(chuàng)性進(jìn)行投資和調(diào)配，那么我們足以推動醫(yī)療保健轉(zhuǎn)化工具和技術(shù)的另一新紀(jì)元。

然而，現(xiàn)如今僅有3%的會聚科研的首席科學(xué)家可以從美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）獲得研究經(jīng)費(fèi)，這些研究來自物理學(xué)、生物物理學(xué)、數(shù)學(xué)、工程學(xué)或生物工程學(xué)，而這已是生物醫(yī)學(xué)會聚研究的主要經(jīng)費(fèi)來源。以從事會聚科研為主的美國國家生物醫(yī)學(xué)成像與生物工程研究所（NIBIB），2016年的經(jīng)費(fèi)預(yù)算不足3.45億美元。在眾多聯(lián)邦機(jī)構(gòu)中，美國國家科學(xué)基金會（NSF）是為基礎(chǔ)工程學(xué)和物理學(xué)提供支持的主要部門，但是對這些學(xué)科與生物醫(yī)學(xué)融合方面的資助微乎其微，因?yàn)镹SF的醫(yī)學(xué)研究比起NIH有著歷史性的延遲。盡管其他聯(lián)邦機(jī)構(gòu)——諸如美國能源部（DOE）、美國國防部高級研究計劃局（DARPA）、美國食品藥品管理局（FDA）——已經(jīng)開始意識到會聚科研的大好前景，但是到目前為止還未有聯(lián)邦機(jī)構(gòu)或辦公室主要負(fù)責(zé)推動工程學(xué)、物理學(xué)以及數(shù)學(xué)科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)之間的會聚?？鐚W(xué)科項(xiàng)目獲得聯(lián)邦資助的重重困難成為科學(xué)進(jìn)步的絆腳石。

萬里之行，我們走了多遠(yuǎn)？

盡管在我們看來，會聚科研方面的投資實(shí)在微不足道，但我們?nèi)砸獮榭梢越o未來方向提供模板和測試平臺的努力而喝彩。一些聯(lián)邦機(jī)構(gòu)已經(jīng)接受了會聚科研的方案。自2002年起，NIBIB已開始頒發(fā)會聚科研相關(guān)補(bǔ)助金。DARPA于2014年啟動生物技術(shù)辦公室以駕馭“自然系統(tǒng)的力量”，該辦公室開發(fā)出智能假肢以及相應(yīng)策略與腦部疾病和傳染病進(jìn)行抗?fàn)?。最近啟動的“大腦計劃”旨在徹底改變我們對人類大腦的理解，而“精準(zhǔn)醫(yī)療計劃”則是為了利用大數(shù)據(jù)在個人層面對疾病信息進(jìn)行評估，這兩大計劃均將會聚科研的潛力融入到他們的研究模型當(dāng)中。最近啟動的“國家微生物組計劃”也有異曲同工之妙。這些新計劃都是在諸如美國科維理基金會、霍華德·休斯基金會、雷蒙德和貝弗利·賽克勒基金會、西蒙斯基金會以及寶來惠康基金會等的早期支持與鼓勵下啟動的。

一些學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)在最近一段時間對會聚科研許下了令人振奮的承諾。西北大學(xué)國際納米技術(shù)研究所集化學(xué)、生物科學(xué)以及工程學(xué)為一體，開發(fā)出了用于納米醫(yī)學(xué)和納米腫瘤學(xué)的工具。在加利福尼亞大學(xué)，加利福尼亞定量生物學(xué)研究所綜合運(yùn)用物理學(xué)、化學(xué)以及計算機(jī)科學(xué)來應(yīng)對分子生物學(xué)的挑戰(zhàn)。哈佛大學(xué)威斯生物工程研究所將學(xué)科與機(jī)構(gòu)相交叉，開發(fā)出創(chuàng)新性工程學(xué)解決方案、商業(yè)產(chǎn)品和多種領(lǐng)域的治療方法。在麻省理工學(xué)院，大衛(wèi)·科赫綜合癌癥研究所召集工程師、生物學(xué)家以及臨床腫瘤學(xué)家開拓新的思路、創(chuàng)造新的工具更好地應(yīng)用于癌癥診斷、治療與預(yù)防。

這些項(xiàng)目——連同許多與他們類似的其他項(xiàng)目——從整體上來看并不協(xié)調(diào)、適度，但是已經(jīng)有了傲人的成果。有數(shù)十家獨(dú)立公司成立，其中許多家的產(chǎn)品已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段：具有癌細(xì)胞導(dǎo)向性可直接遞送化療藥物的納米顆粒，能讓外科醫(yī)生更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)并移除癌細(xì)胞的成像技術(shù)，以及其他更多的類似產(chǎn)品。這些努力對于培訓(xùn)新一代的跨學(xué)科科學(xué)家和工程師功不可沒，這些跨學(xué)科科學(xué)家和工程師將會諳熟一系列學(xué)科領(lǐng)域，以便能夠充分把握機(jī)遇。

眾多商家也紛紛轉(zhuǎn)戰(zhàn)該領(lǐng)域。Verily公司（谷歌前生命科學(xué)部門）將基因組學(xué)與高通量高分辨率成像技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出基于生物學(xué)、遺傳學(xué)、行為學(xué)和環(huán)境學(xué)數(shù)據(jù)的個體化治療方案。像蘋果、IBM以及微軟這類公司已進(jìn)行投資并帶來了市場創(chuàng)新，使得個人和機(jī)構(gòu)能夠?qū)€體健康、體能和疾病進(jìn)行追蹤和監(jiān)控。

如何才能立足長遠(yuǎn)？

盡管已有了進(jìn)步的信號，但是人們?nèi)匀挥欣碛扇n慮，我們?nèi)孕栉〗?jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。新報告為改善和加速會聚科研的進(jìn)程提出了一些建議：聯(lián)邦政府應(yīng)不斷加大目標(biāo)明確的會聚科研方面的生物醫(yī)學(xué)研究項(xiàng)目的資金投入力度；修訂格蘭特?fù)芸顚彶闄C(jī)制，納入工程學(xué)、計算科學(xué)與物理學(xué)方面專家意見；在高等院校進(jìn)行學(xué)術(shù)結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)生物學(xué)家、臨床醫(yī)生、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、工程師以及計算機(jī)科學(xué)家在研究和教育上的合作。NIH將起到主導(dǎo)作用：它應(yīng)積極發(fā)展會聚科研-技術(shù)策略，招募數(shù)學(xué)家、工程師、物理學(xué)家和計算機(jī)科學(xué)家，將他們的專業(yè)知識應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)中去，無論是基礎(chǔ)研究方面還是應(yīng)用研究方面。盡管許多聯(lián)邦機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了涉及會聚科研的項(xiàng)目，但是這些努力仍應(yīng)繼續(xù)推廣。我們被NSF新的會聚科研研究重點(diǎn)、其撥款審查的變更計劃以及支持會聚科研的新教育模式所鼓舞。

如果我們能將跨學(xué)科、資金支持和可培養(yǎng)工作項(xiàng)目良好地結(jié)合，會聚科研就將會發(fā)生翻天覆地的變化。這份報告建議通過科學(xué)和技術(shù)政策辦公室的協(xié)調(diào)，與NIH、NSF、美國國防部、FDA以及DOE合作創(chuàng)建一個會聚科研跨部門工作小組。此外，仍有待開發(fā)一項(xiàng)通過納米技術(shù)與植物基因組計劃相融合的模式來推進(jìn)生物醫(yī)學(xué)科學(xué)發(fā)展的特殊戰(zhàn)略計劃。NIH的共同基金機(jī)制應(yīng)該支持多機(jī)構(gòu)和中心的會聚科研。聯(lián)邦機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)考慮開展更多的會聚科研培訓(xùn)并將其規(guī)模擴(kuò)大化。生物醫(yī)學(xué)與醫(yī)療衛(wèi)生保健通過會聚科研進(jìn)行轉(zhuǎn)化取決于面對變化時的開放態(tài)度以及合作的意愿。這顯然是新興事物，仍需進(jìn)一步強(qiáng)化。

[資料來源：Science][責(zé)任編輯：彥隱]

本文作者：菲利普·夏普（Phillip Sharp），諾獎得主、MIT教授；泰勒·杰克斯（Tyler Jacks），MIT腫瘤研究中心主任；蘇珊·霍克菲爾德（Susan Hockfield），神經(jīng)科學(xué)家、MIT校長。