納米傳感器、芯片為醫療帶來的幾大黑科技

2016-08-02 21:38:31 來源:未知
前不久,世界經濟論壇在達沃斯年會上公布了2016年度十大新興技術,這些技術無疑會在改善人們生活、推動行業變革和維護地球生態等領域產生巨大作用。與往年相比,今年選中的新興技術在生物科學領域要更突出,且除了考量不同技術對人類的好處外,也更顧及其對環境的影響。對于持續關注前沿科技的動脈網(公眾號:vcbeat)來說,我們對其中的醫療相關技術充滿興趣,并通過本文對此進行了解讀。

  納米傳感器和納米級物聯網將對醫學產生巨大影響

  物聯網正處在迅速發展擴張的階段,分析師們預計直到2020年時,物聯網設備總數量會達到300億。物聯網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進行監控的設備。比如,當你下班回家時,房門會識別確認你是主人,自動開門。又如一位心臟病患者,當他的心臟已經出現了機能衰弱的跡象時,被植入了患者體內的心臟監護器就會收到信號并且立即向醫生呼救。

  目前,科學家已經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系統中。這項關鍵研究是傳統物聯網向納米級物聯網邁進的第一步,一旦成功,納米級物聯網將會對未來的醫學和醫藥制造產生巨大影響。



  迄今為止,科學家通過使用合成生物學的工具來修飾單細胞生物如細菌的方法,已經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和蛋白質去識別的特定的化學物質靶標,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公司,他們現在致力于將經計算生物學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網的過渡已經是不可避免的,但也即將面臨一些嚴峻的挑戰。其中,需要跨越的一個技術障礙是需將自供電納米設備所需的所有組件集成,該設備用于檢測變化和向網絡發送信號。其它障礙包括一些關于隱私和安全的棘手問題。由于納米材料本身存在毒性,因此導入體內的任何納米器件,都對人體都有一定的毒性或引發一系列的免疫反應。

  除了醫學領域之外,納米傳感器與納米級別物聯網還將會對未來的建筑、農業等方面產生巨大影響。當納米時代真正來臨時,我們的身體、家庭、環境、工廠都會得到更好的發展。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成為你的個人健康助理



與大多數普通人相比,公司CEO擁有一個明顯優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將人類提出的問題進行識別處理,但是它們也常常會給出:“對不起,我不知道這件事”或者“這是我從網上找到的”的答復,因此用戶不可能把它們和忠誠的助理聯系起來。此外,這些系統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,一些新興技術的誕生都是以建立功能強大的、擬人化的數字助理為目的,因此就出現了開放式人工智能系統。該系統不僅可以連接到我們的移動設備和計算機并通過它們進入短信、郵件、聯系人、日歷、和工作檔案,還可以連接到臥室的溫控器,可穿戴設備、甚至汽車。在互聯網與物聯網下,用戶的個人數據之間是互相連接的,無論身處何地都可以做到即刻與開放式人工智能系統交談,這將在未來幾年內提升數百萬人的生活水平以和幸福感。

  有了開放式人工智能系統,通過收集一些匿名健康數據和提供個性化的健康咨詢,可以實質性的改善用戶的健康狀況并且為他們減少醫療方面的開支。截至現在,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。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的目標發展方向,研究者們正在努力讓系統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,數字時代的AI助手也會忠誠的為我們服務,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。

  升級光遺傳技術照亮神經學



  在過去,神經學家和心理學家可以觀察到大腦對各種刺激會做出怎樣的反應,并且已經繪制出基因是怎樣在整個腦中表達的,但是他們當時無法控制單神經元,以及開啟和關閉其他種類的腦細胞。對于研究人員來說,解釋大腦產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。

  科學家們曾經嘗試過利用電極來記錄神經元的活動,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元,所以根本無法區分不同種類的腦細胞,得到的記錄結果也顯得粗糙、不精準。

  直到2005年,這個難以解決的問題終于有了新突破。據神經基因學家們探索發現,可以利用一種新的技術來記錄神經元的活動,即利用基因工程的方法使神經元對特殊顏色的光作出反應。這種技術于20世紀70年代建立,被稱為光遺傳技術。它主要用于色素蛋白的研究,也就是視紫紅質和視蛋白基因家族編碼的研究。這些蛋白質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,可以幫助攝取入射光的能量及信息。

  如今,生物學家將一個或多個視蛋白基因插入小白鼠特定的神經元,他們就可以使用可見光隨意控制特定的神經元開啟或關閉。多年來,科學家們已經使這些蛋白質能對不同顏色都做出響應,從深紅色到綠色到黃色再到藍色都可以實現。通過將不同的基因導入不同的細胞,再使用各種顏色的光脈沖來激活一個神經元,就能夠在精確的時間序列上確定幾個相鄰的神經元。

  這個難題的解決是神經科學發展中的一項重要進步,畢竟對于具有生命活性的大腦來說,時間是非常關鍵的。因為即使大腦發送出的是相同信號,如果時間相差幾毫秒就有可能出現完全相反的效果。

  光遺傳技術的發展加快推動了腦科學發展前進的步伐,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。好在現在已經出現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。這種設備正在被作為注射裝置來幫助無線控制神經元,目前還處于測試階段。

  光遺傳技術已經為帕金森氏癥、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閉特定的神經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,可惜光遺傳學對其的治療暫時還不能實現。

  人體器官芯片技術為醫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困難,完整器官的移植對于科學實驗中的應用非常珍貴。但是,其實許多重要的生物學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展,目前已經出現了一項新技術,在芯片上就可以實現這方面的需求。

  在2010年,來自Wyss研究所的Donald Ingber研制出了一種肺芯片,首次在芯片實現了這種技術。于是各機構紛紛投身該技術的研發,以Ingber與Wyss研究所的其他研究人員為領頭人,科研人員與工業界以及政府達成合作關系,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,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的環境。一個器官芯片的體積與一個閃盤相當,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,可以在芯片內復雜的管道中流動。當營養物質、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制一些活體器官的關鍵功能。

  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,科學家們就可以觀察到細胞在細菌感染后的免疫反應,這些實驗對人體都不會造成任何風險。因此,這項技術可以讓科學家們清楚的看到、了解在從前他們不曾親眼見過的生物學機制和生理行為。

  為醫藥研究帶來新機遇

  器官芯片的出現將推動新藥研發。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分泌細胞分泌激素到血液中的途徑,并使用該內分泌細胞芯片對治療糖尿病的藥物進行了關鍵測試。還有一些團隊正在探索如何在個性化醫學上使用器官芯片。從原理上說來,患者自身細胞構建是可以用于這些芯片上的。對其進行測試,結果顯示能夠運行,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藥行業中藥物實驗對于實驗動物的依賴性。全世界每年都有數以百萬計的動物因為藥物實驗犧牲,在社會上引發著激烈的爭論。除開倫理的考慮,研究人員已經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反應提出可靠見解,因此需要通過大量重復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。
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