人口健康领域科技进展与趋势分析
2018-09-18   全球技术地图


人口健康是重要的社会民生问题,科技的快速发展正在改变人口健康领域的研究范式,催生全新的疾病诊疗模式和健康产业业态。



本文从生命科学和生物医药领域国际重要的规划和计划,以及领域最新进展和重大突破着手,分析了目前健康科技的发展新理念、新方向和新趋势,展望了未来健康科技的发展前景。分析结果显示,就目前健康科技的发展现状来看,颠覆性技术的发展和学科融合的推进正在重构健康服务体系;前沿生物技术的革新大幅提高了人类认识、解析生命及仿生与创制生命的能力,以及疾病认识和治疗水平;精准医学逐渐成为疾病防治临床实践主要模式。未来健康科技发展应进一步聚焦颠覆性技术和新兴技术的发展,着力提升我国健康管理水平,实现疾病早预防、早干预、精准治疗的目标,从而提高生命质量、降低医疗支出。


一 、引言

人口健康是重要的社会民生问题,关乎国家经济发展和社会进步。科技是健康管理的有力保障,颠覆性技术的发展、跨学科技术的深度融合、学科的会聚正在改变生命科学与医学研究范式、疾病诊疗模式、健康产业业态。本文从生命科学和生物医药领域国际重要的规划和计划,以及领域最新进展和重大突破着手,分析了目前健康科技的发展新理念、新方向和新趋势,展望了未来健康科技创新的发展前景。


二、健康科技国际规划与布局

2.1 出台专项规划保障健康科技创新

大力发展健康科技既为维护健康提供科技保障,也为健康产业发展提供强大科技动力。因此众多发达国家和发展中国家将健康科技创新作为重点优先领域予以布局。


美国一直将健康科技作为国家研发经费投入的重点领域。为了保障该领域的发展,美国于2016年通过了《21世纪治愈法案》,这是近年来美国对健康科技布局最具代表性、最为全面的专项政策。该法案计划在10年内,为美国国立卫生研究院(NIH)和美国食品药品管理局(FDA)提供63亿美元的经费,以推动健康领域的基础研究、疗法开发和新疗法的临床转化,巩固美国在全球生物医药创新中的国际地位。在基础研究方面,该法案重点关注了精准医学计划、癌症“登月计划”和脑科学计划的推进和实施。在疗法开发方面,法案提出将通过一系列举措来促进疗法开发,包括支持数据处理技术、生物标志物发现技术、疗法评估方法、移动医疗技术、疫苗、再生医学疗法、儿科疾病药物和医疗对策等的开发,以及优化监管政策制定流程和监管规范。在此基础上,法案还致力于充分发挥电子健康记录系统和学习型健康护理系统的作用,推进疗法的临床转化;加强对健康护理提供者的教育,并推动新医疗技术在老年健康维护中的应用。该法案的出台将健康科技创新发展提升至法律层面予以保障,显示出美国政府发展健康科技的决心;此外,该法案的保障范围涉及了美国近期全部的重大领域专项规划,确保了这些规划的顺利实施。

欧盟委员会于2018年6月7日发布“地平线欧洲”计划实施方案提案,提出了2021—2027年的发展目标和行动路线,分析了欧盟在健康领域面临的挑战,并针对相关挑战提出了重点关注的发展方向和研究内容,包括全生命周期健康研究,影响健康的环境与社会因素研究,非传染性疾病与罕见病管理与防控,传染病研究与应对,卫生和保健相关工具、技术及数字化解决方案制定,卫生保健系统改革。


英国政府为提振经济和应对“退欧”所带来的挑战,继2017年初发布了《工业发展战略绿皮书》后,2017年8月,英国生命科学办公室又发布了《生命科学产业战略》,旨在通过推进生命科学与健康产业的发展,驱动英国经济的发展。该战略针对加强科学研究与成果转化、强化企业发展与基础设施建设、推进英国国家医疗服务体系(NHS)与行业的互动和创新、支持数据的共享与合作,以及吸引生命科学人才与提升相关人员技能等主题提出发展建议。同时,还建议设立“医疗保健高级研究计划(HARP)”,HARP制定了在未来10年发展2~3个全新行业的战略目标,并确定了重点发展领域,包括加强基因组技术在医药领域的应用;针对早期、无症状慢性疾病的有效诊断建立相关平台;通过数字化与人工智能(AI)变革病理学与影像医学;健康老龄化。该战略规划的出台同样保障了英国健康科技创新的持续性经费支持和资源平台支持,大幅推动了英国的健康科学及产业发展。

我国高度重视健康科技的发展。“健康中国”战略已经明确写入国家“十三五”规划纲要和十九大报告。在健康中国战略指导下,中共中央、国务院于2016年发布了《“健康中国2030”规划纲要》,将健康摆在优先发展的地位。该纲要提出了到2030年实现人民健康水平持续提升、主要健康风险因素得到有效控制、健康服务能力大幅提升、健康产业规模显著扩大、促进健康的制度体系更加完善等五方面的发展目标。这是建国以来首次在国家层面提出的健康领域中长期战略规划,显示出国家对健康工作的高度重视,对于健康科技创新本身也将发挥重要的推动作用。与此同时,为了推动健康科技的发展,我国多个部门相继发布了相关的科技规划,包括《“十三五”卫生与健康科技创新专项规划》、《“十三五”健康产业科技创新专项规划》、《“十三五”医疗器械科技创新专项规划》等。




2.2 新一轮健康科技规划强调通过发展科技实现疾病的早预防

2015年开始,各国均陆续进入新一轮科技规划期,许多国家的科技资助机构陆续发布了新规划,如美国NIH发布“2016—2020财年整体战略规划”;英国医学研究理事会(MRC)发布“2016—2020年战略执行计划”,英国生物技术与生物科学研究理事会(BBSRC)发布“健康领域生物科学战略研究五年框架(2015—2020)”;欧盟发布“地平线欧洲”健康主题的发展规划;加拿大卫生研究院(CIHR)发布新版战略路线图;印度生物技术部发布2015—2020年国家生物技术发展战略;中国发布《“十三五”卫生与健康科技创新专项规划》、《“十三五”健康产业科技创新专项规划》等。从整体上来看,这些新阶段的规划重点关注疾病的预防和早期干预。与此同时,这些规划提出要重点发展生物、医学、信息、大数据技术,着重强调了精准医学、个体化医疗、基因组医学、移动医疗等,希望通过科技创新,为预防为主的健康管理模式提供科技动力。


2.3 热点领域专项规划相继实施

脑科学、精准医学、癌症、细胞图谱、微生物组学是目前健康科技领域的前沿热点方向,各国围绕这些领域相继推出了一系列专项计划。

脑科学研究规划和布局仍在升温,美、欧、日、韩等大型脑科学计划多次增资以保障计划的实施。与此同时,国际脑科学计划正在酝酿,欧洲、日本、韩国、美国和澳大利亚5个国家/地区脑研究计划的代表于2017年底签署了《发起国际大脑计划(IBI)的意向声明》,旨在共同应对挑战,加快“破译大脑密码”的进程。根据声明,各国将成立国际大脑联盟,在数据共享、数据标准化,以及伦理和隐私保护等领域共同合作,并进一步联合其他国家和地区的相关脑计划开展研究。

美国“精准医学计划”(PMI)、中国“精准医学研究”重点专项已全面推进。美国2017财年投入1.6亿美元继续支持“精准医学计划”,推进PMI核心任务百万人队列项目的实施,根据美国2016年底通过的《21世纪治愈法案》,PMI将在10年内获得总计14亿美元的持续支持。中国精准医学研究重点专项计划有序推进,2016—2017年国拨经费投入超过12亿元,围绕5大任务开展研究,为我国精准医学的长期发展搭建框架,夯实发展基础。2017年12月,英国创新署发布年度实施规划(Innovate UK: Delivery plan 2017-2018),将精准医学列为健康与生命科学方向的6个优先资助领域,主要目标是发展个性化诊断,为患者量身定制治疗和健康管理方案。

人体微生物组的研究日益受到重视,已经成为近几年的热点。继2016年美国启动“国家微生物组计划”(NMI)后,由世界微生物数据中心和中国科学院微生物研究所发起的“全球微生物模式菌株基因组和微生物组测序合作计划”于2017年正式启动,该计划将建立超过20个国家30个主要微生物资源保藏中心共同参与的微生物基因组、微生物组测序和功能挖掘合作网络,5年内完成超过1万种的微生物模式菌株基因组测序,覆盖超过90%的已知细菌模式菌株,并完成超过1000个微生物组样本测序,覆盖人体、环境和海洋等主要方向。同年,微生物组创新创业者协会倡议发起“中国肠道宏基因组计划”,旨在制定规范的样品制备流程和标准,搭建完善的生物信息分析平台,针对中国人群建立高质量的肠道宏基因组参考数据库,推进该领域人才培养和科研成果转化。此外,中国科学院重点部署项目“人体与环境健康的微生物组共性技术研究”暨“中国科学院微生物组计划”于2017年12月20日启动,旨在推动我国在全球微生物组研究和应用的竞争中实现从“跟跑到并跑,乃至领跑”的目标。

细胞是人类机体的核心单元,也是了解健康和疾病生物学的关键。单细胞基因测序、高分辨率成像等技术的快速发展为单细胞研究提供了机遇,也为绘制细胞图谱提供了可行性。2016年10月,美国麻省理工学院、博德研究所、英国Sanger研究所共同举办会议,召集全球科学家讨论启动“国际人类细胞图谱计划”(Human Cell Atlas),从细胞类型、状态、位置、转变、相互作用和谱系关系等各角度,对人体的所有细胞开展研究。同年,扎克伯格夫妇宣布,将在十年内向生物医学投入30亿美元巨资,首个项目即绘制人类细胞图谱。2017年10月,该计划首批38个项目获得资助,旨在绘制脑、免疫系统、胃肠道、皮肤等组织细胞图谱,并开展相关技术研发。与此同时,细胞图谱计划联盟发布《人类细胞图谱白皮书》,绘制了该计划的发展蓝图。2018年3月,计划获得了第一批成果,发布了25万个细胞的测序结果,并建立了在线数据获取系统。2018年4月,第二批85个项目获得新一轮资助。


三、健康科技发展趋势及重大突破

随着生命组学研究的开展、大数据技术的快速应用,生命科学研究正向基于数据的科学发现范式转变。通过开展生命组学研究、图谱绘制、大型队列研究等进一步解析生命;利用计算生物学、生物信息学、大数据、人工智能等技术对研究中产生的数据进行分析、建模、预测,从而进行生命体的模拟和预测;在解析和模拟生命体的基础上,通过合成生物学、脑机接口技术、再生医学、3D打印等技术完成对生命体的仿制和创制。


3.1 大数据、人工智能等技术加速渗透生命科学研究,全面赋能健康与医疗

在健康与医疗领域,大数据、互联网、可穿戴设备、人工智能的结合带来了全新的智慧医疗模式,正在改善医疗供给模式,重构健康服务体系。以市场化应用最为突出的IBM Watson为代表,人工智能已快速渗透医疗健康领域,用于疾病诊断和病理分析,IBM Watson、香港中文大学、谷歌公司等机构分别开发的人工智能系统在脑癌、皮肤癌、肺癌、乳腺癌、胃癌等癌症的分析诊断与辅助治疗,以及心脏病发病风险预测中表现出应用潜力;监测并调节血糖水平的石墨烯腕带、检测乳腺癌的智能内衣iTbra等便携设备,推动健康管理目标的实现。同时,我国互联网公司先后推出Doctor You、腾讯觅影、百度医疗大脑、ET医疗大脑、医学影像辅助诊断3D CNN模型等与人工智能医疗相关的平台;2017年底,科技部也启动了首个国家级医疗影像人工智能平台建设。


3.2 生物技术的突破提高人类系统认识和解析生命的能力

物理学、材料学、计算科学等多学科与生命科学交叉融合的发展,推动了生物成像、基因编辑技术、单细胞技术、生命组学等技术不断革新,大大提高了人类认识和解析生命的能力。生命科学正逐渐走向成熟,其标志为逐渐向数字化、平台化、工程化发展。


生物成像技术正在向精确、深度、实时、活体方向发展。2017年,冷冻电子显微镜获得诺贝尔化学奖。

基因编辑技术大大提高了操控和改造生命的效率和准确性,正在生命科学全领域中进行应用研究。该技术更加精准,已经实现点对点的编辑,美国的哈佛大学、哈佛-麻省理工博德研究所先后实现了精准靶向编辑DNA和RNA中的单个突变,为治疗点突变遗传疾病提供了重要工具,这一突破入选Science杂志评选的2017年年度十大突破。此外,基因编辑技术已初步完成疾病治疗的探索,通过修正人类胚胎中的致病点突变,证实人类生殖细胞系基因编辑的安全有效性;基于基因编辑技术的临床试验也持续开展,并有望在2018年取得突破。


单细胞测序新技术不断改进,北京大学与哈佛大学开发的LIANTI技术、美国俄勒冈健康与科学大学开发的SCI-seq、奥地利科学院等机构开发的CROP-seq技术提高了通量、保真性、基因覆盖率等技术性能。多重组学单细胞测序技术也是开发重点,北京大学建立的single-cell COOL-seq技术实现了单细胞三种组学,以及基因组和表观基因组的同时高通量测序。

新一代生命组学技术水平进一步提高。基因组测序技术和设备向高精度、长读长、低成本、便携式方向发展,助力高质量基因组图谱的绘制,为解析生命铺平道路,美国加州大学联合英国伯明翰大学等机构合作利用纳米孔测序仪MinION首次对人类基因组进行了组装;单细胞RNA测序技术、表观转录组、顺时转录组技术、空间转录组等转录组分析技术的进步,为绘制更为精确的转录组图谱奠定基础,北京大学和美国康奈尔大学合作实现全转录组水平上单碱基分辨率的1-甲基腺嘌呤修饰位点鉴定;蛋白质组学研究已经从单纯提高覆盖率的定性研究向更加真实地描述生物体本质的定量研究和空间分布研究发展,瑞典皇家理工学院联合英国剑桥大学等机构合作基于免疫荧光(IF)显微镜技术绘制人类蛋白质组亚细胞图谱,描述了蛋白质在多个细胞器和亚细胞结构中的空间分布;代谢组分析技术向超灵敏、高覆盖、原位化方向发展,代谢产物成为疾病筛查的重要标志物。与此同时,多组学交叉、多维度分析正在推动系统生物学的深入发展,以更好地理解人类疾病的致病机理。

生命图谱绘制为解析生命、认识生命提供基础。瑞典皇家理工学院等机构合作绘制了癌症病例图谱“Atlas”,北京大学联合美国安进公司等机构合作构建了单细胞水平肝癌微环境免疫图谱,这些图谱为疾病发生机制研究提供重要启示。华中科技大学等机构合作首次绘制出乙酰胆碱能神经元全脑分布图谱、全脑精细血管立体定位图谱,美国哈佛-麻省理工博德研究所等机构合作完成了首张高分辨率小肠细胞图谱的绘制。美国贝勒医学院等机构合作构建出首个高分辨率的人基因组折叠四维图谱,可用于追踪其不同时间点的折叠状态。


3.3 仿生与创制能力的发展提高人体机能增进和疾病防诊治的水平

基因编辑、再生医学、3D打印、合成生物学、脑机接口等技术的快速发展,进一步增强了仿生与生命创制能力,提高人体机能和增进疾病防诊治水平。


合成生物学在非天然碱基的合成与应用、生物大分子设计乃至全基因组的创制等领域取得了重大进展。美国华盛顿大学首次人工设计出超级稳定的二十面体蛋白,该成果入选Science杂志评选的2016年年度十大突破。只含有57个密码子的大肠杆菌基因组、最小基因组细胞Syn3.0被合成;美国斯克里普斯研究所等机构展开合作,在大肠杆菌细菌细胞DNA中,加入两种外源化学碱基,并完成活细胞DNA转录与蛋白翻译;美国加州理工学院、德国慕尼黑理工大学、美国哈佛大学医学院联合法国国家健康与医学研究院等机构分别利用分型组装、逐步构建、DNA“积木”等新型DNA折纸策略,生成了纳米尺度、不同形状的自组装架构;继2014年第1条酵母染色体被合成后,2017年有5条染色体被法国国家科学研究院联合中国天津大学等机构合作构建完成,2018年,中国和美国两个团队又获得了酵母染色体的融合构建重大突破。


脑-机接口技术是下一个科学前沿,除通过解码人脑信号以驱动假肢以外,科学家实现了脊髓损伤人类和黑猩猩对自身肢体而非假肢的意念控制,标志着脑-机接口技术迈出重要一步;美国斯坦福大学通过脑-机接口完成了脑电波控制的电脑字符快速精准输入。

组织工程、3D打印、类器官构建、器官芯片等一系列技术的交叉融合和快速突破,成为组织、器官制造领域的“助推剂”。科研人员利用体外构建的组织实现了对脊髓损伤、软骨损伤、视网膜损伤等多种疾病的替代修复治疗,而美国的哥伦比亚大学、辛辛那提儿童医院、劳伦斯利弗莫尔国家实验室等机构还在体外实现了肺、肠、胃、大脑等多种类器官或器官芯片的构建。这些成果为药物研发和疾病研究提供了更加优化的模型,同时利用类器官技术,未来还有可能实现有完整功能的器官再造,为器官移植提供更多供体。


3.4 精准医学成为临床实践新方向,疾病防治手段更加多样化

以生命组学、大数据技术、大队列为核心的精准医学正在成为医学研究的主要模式,其目标是疾病的精准分类、预防、诊断、治疗,最终实现个体化医疗。2017年,美国癌症联合委员会首次将分子标记纳入乳腺癌的分期标准;加拿大BC癌症研究所等机构分析确定了7种卵巢癌分子亚型;美国国立卫生研究院基于基因组学研究发现了8种宫颈癌亚型;美国癌症基因组图谱研究计划综合分析发现,食道癌分两种不同类型,上食道癌的分子亚型与头颈部肿瘤类似,而食道下部的肿瘤与胃癌的某种亚型更相似;美国麻省综合医院等机构利用单细胞RNA测序技术,为脑神经胶质瘤的精准分型提出新思路。


基因检测、液体活检等为早诊提供了重要技术手段,美国加州大学圣地亚哥分校已开发出高通量甲基化无创检测新技术;美国约翰·霍普金斯大学医学院联合应用液体活检和蛋白肿瘤标志物检测,实现一次检测8种不同的早期肿瘤。美国默沙东公司研发的药物Keytruda用于治疗所有“MSI-H/dMMR亚型”实体肿瘤,成为美国FDA首次按照分子特征而不是根据组织来源区分肿瘤类型而批准的药物。


科学发展产生了大量的新技术、新突破,为疾病防诊治提供更为多样化的手段。免疫疗法为癌症治疗提供新手段,免疫检查点抑制剂和细胞免疫疗法是当前免疫疗法研究热点。美国加州大学戴维斯综合癌症中心联合法国艾克斯-马赛大学、美国宾夕法尼亚大学、美国凯撒医疗集团联合韩国三星医疗中心等机构完成的多项临床试验揭示免疫检查点抑制剂联合化疗疗效显著,美国默沙东公司的PD-1单抗Pembrolizumab联合培美曲塞和卡铂一线治疗非鳞非小细胞肺癌已经获批。2017年,FDA批准首个基因疗法瑞士诺华公司的Kymriah上市,开启了CAR-T和基因疗法产业元年,成为医药研发的又一个风口。基因疗法也入选了Science杂志评选的2017年年度十大突破,美国Spark Therapeutics公司的“矫正型”基因疗法Luxturna已用于治疗遗传性视网膜病变。



干细胞的应用前景日趋明朗,在代谢性疾病、神经疾病、生殖疾病、眼部疾病、心血管疾病等多种疾病中显示出治愈潜力。2017年,美国波士顿儿童医院及康奈尔维尔医学院分别实现了造血干细胞的体外构建,有望突破白血病治疗的细胞来源瓶颈;美国华盛顿大学首次在成年小鼠眼中再生出功能正常的视网膜细胞。与此同时,通过与基因编辑技术、成像技术、单细胞技术等新兴生物技术的融合,干细胞疗法展现出更大的发展潜力。


人体微生物组的研究证明其与健康和疾病有密切相关。2017年,美国NIH“人类微生物组计划”(HMP)发布第二阶段成果,揭示了人体微生物组的时空多样性。人体微生物组与疾病关系研究进入机制研究阶段,揭示了微生物组调控多种疾病进程的因果机制,美国华盛顿大学和俄罗斯圣彼得堡国立技术大学合作进行基于特定肠道微生物代谢途径的分析,揭示其影响免疫应答的分子机制;德国柏林夏里特医学院联合美国麻省理工学院等机构合作证实高盐饮食会影响肠道微生物组成,诱导辅助性T细胞17(TH17)驱动自身免疫,进而引起高血压。与此同时,人体微生物组研究助力癌症精准治疗,美国芝加哥大学、法国古斯塔夫·鲁西癌症研究所等机构相继证实肠道微生物组成影响黑色素瘤和上皮性肿瘤PD-1免疫疗法的治疗效果;多国机构合作发现人体微生物组影响化疗药物吉西他滨、5-氟尿嘧啶的疗效。微生物组药物研发正处于药物发现/临床试验阶段,并持续推进。


3.5 健康科技发展新趋势推动相关管理政策变革

学科会聚、大数据驱动、新技术和新疗法的产生等生命科学领域的发展,给科技管理和监管政策带来了挑战,多个国家出台相关政策应对挑战。主要举措包括:进一步营造有利于学科会聚的创新氛围,培养交叉型人才;加强大数据的规范标准制定,充分实现共享,开发分析技术和加大设施建设;加强安全监管和伦理规范制定,以应对新技术可能带来的风险和伦理问题;进行监管和审批制度的改革,以推进新技术、新疗法的应用。


四、结语与未来展望

健康是人类自身最根本的需求,科技创新为健康提供有力保障。


针对我国健康管理和健康产业存在的问题,结合健康科技未来发展趋势,需要着重关注前沿科技,尤其要特别关注学科会聚形成的颠覆性技术、新兴技术。着力布局生物大数据、人工智能医疗、可穿戴设备等,以及这些技术交叉形成的新方向,发展数字医疗、移动医疗、远程医疗,解决老龄化、医疗资源不足、城市和边远地区医疗资源不均衡等问题,提高我国健康管理水平。大力发展再生医学、合成生物学、干细胞、组织工程、3D打印、器官芯片、脑机接口等技术,以提高人体机能和机体再造能力;持续支持精准医学、人类表型组学等重点领域,发展分子影像、分子诊断、细胞疗法、免疫疗法等新型诊断与治疗方法,制定个体化的防诊治方案,实现早预防、早干预、精准治疗的目标,从而提高生命质量、降低医疗支出。


未来,生命认识和解析的能力不断提高,健康与疾病发生机制进一步清晰,个体化药物、细胞治疗、基因疗法等疾病防治手段更加多样化,5P医学(可预防、可预测、个体化、病人参与、精准)将实现,人类寿命大大延长,生命质量大大提高。改造、仿生、再生、合成、创生研究的深度和广度不断拓展,更多的器官被人类制造出来,意念控制的外骨骼大大提高人体机能。大数据、互联网、人工智能为核心的数字医疗、移动医疗,将解决老龄化、医疗资源不足、城市和边远地区医疗资源不均衡等问题,健康管理水平不断提高。


转自丨世界科技研究与发展

作者丨徐萍,王玥等

编辑丨刘发鹏

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