科技最前沿:仿生眼植、逆轉衰老、3D列印心臟、自我修復機器人

一、仿生眼植入體，能讓失明的人重見光明

把光電信號轉化為神經信號，仿生眼植入體有望幫助盲人恢復視覺。

最近，英國國家健康中心在十位色素性視網膜炎患者身上對仿生眼植入體進行了試驗，這種仿生眼植入體有望幫助盲人恢復部分視覺。與此同時，其他幫助失明患者重獲光明的新技術也正在不斷發展之中。

色素性視網膜炎（retinitis pigmentosa）是一種罕見的遺傳病，它會破壞視桿細胞，影響視網膜的感光能力，最終可能導致失明。據美國國家眼科研究所（National Eye Institute）估計，世界上每4000人中就有1人患有這種疾病。

最近，由英國國家健康中心（National Health Service，NHS）資助研究的仿生眼植入體在十名色素性視網膜炎患者身上得到了試驗，這項研究有望促進色素性視網膜炎的治療，讓失明患者重獲光明。

該仿生眼植入體名為「阿耳戈斯II代（the Argus II）」，阿耳戈斯是希臘神話中的百眼巨人，永遠都能保持警惕。在使用「阿耳戈斯II代」仿生眼植入體時，患者還需要佩戴特製的眼鏡，這種眼鏡上安裝有小型攝像設備，能夠與視網膜植入體配合工作。攝像設備可以捕捉圖像，再通過無線信號將圖像傳輸到視網膜植入體上，視網膜植入體上的電極可以刺激剩餘的視網膜細胞，視網膜細胞再將信息傳輸給大腦，這樣患者就能夠有效地恢復部分視覺了。

NHS英格蘭地區特殊疾病部門（specialized commissioning at NHS England）主管Jonathan Fielden博士說：「NHS資助的這一項目非常具有創新性、也非常具有應用前景，這有望改善那些失明患者的生活。」

同時，這也是首次對色素性視網膜炎進行治療。2017年，植入仿生視網膜的十位患者中，五位將在曼徹斯特皇家眼科醫院接受治療，剩下五位將在莫菲爾德眼科醫院接受治療。在手術後的一年時間裡，醫院將密切關注患者狀況，記錄並判斷仿生眼植入體對患者生活的改善程度。

《英國衛報》報道，在該植入體試驗的所在地——英國，大約有16000人受到色素性視網膜炎的折磨，其中，約有160至320人有可能可以接受仿生眼植入體的治療。NHS對首批接受植入體治療的十位病人進行資助，其目的就是為了展示這種面向色素性視網膜炎患者的、可行的治療手段。

與此同時，其他科技領域的最新突破也有望應用於防盲治盲。例如，谷歌專註於人工智慧的子公司DeepMind開發出了可以檢測糖尿病視網膜病變的人工智慧演算法，糖尿病視網膜病變會讓病人逐漸失明，是最常見的致盲原因之一。

再例如，用於治療遺傳性視網膜營養性萎縮症（hereditary retinal dystrophy）的基因療法已經處在FDA審批的最後階段，最早將在2017年面世；不久前，薩克研究所（Salk Institute）的研究人員曾報道過CRISPR/Cas-9基因編輯技術在視覺恢復治療中的應用，通過這種革命性的基因編輯技術，研究人員成功讓有基因缺陷的老鼠恢復了部分視覺。

（本文轉自：環球科學，來源: Futurism，作者: June Javelosa）

二、Cell刊發新研究：逆轉衰老真的實現了

我們也許可以通過逆轉因衰老而改變的基因活性來減緩衰老進程，甚至逆轉衰老。

根據近期發表在《細胞》（Cell）上的一項工作，索爾克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies）的研究人員通過調節一些關鍵基因的表達水平，成功誘導分化後的成熟細胞成為胚胎類似細胞，實現了體外逆轉小鼠和人類細胞的衰老狀態。此外，研究人員還證實這一方法可以延長早衰小鼠的壽命，促進中年小鼠的損傷修復。

目前，學界的一種觀點是衰老是一個表觀遺傳狀態變化的過程，這些變化可以使基因表達更加活躍或受到抑制。索爾克生物研究所的研究人員的工作無疑給這一觀點增添了新的證據。在細胞的生命周期中，基因活性不是一成不變的，而是受到多種因素的調節。對於人類來說，可能改變基因活性的因素有：吸煙、污染或者其他環境因素。隨著基因活性改變的不斷積累，我們的肌肉不再發達，思維逐漸變緩慢，同時我們也更容易受疾病的侵害。

Juan Carlos Izpisua Belmonte是索爾克生物研究所基因表達調控方面的專家，是上述工作的通訊作者。他認為：「衰老是一個可塑性很高的過程，我們甚至可以操控這一過程。」他們的研究也表明，伴隨衰老而產生的一些基因活性改變是可能被逆轉的，而且他們的方法可能最終能夠用於人類衰老的逆轉。簡單地說，Belmonte的研究組通過短暫激活四個基因的表達，使成熟細胞重編程為胚胎幹細胞，從而讓細胞重新進入年輕狀態。

他們在小鼠體內激活的這四個基因被稱為「山中因子」（Yamanaka factors），因其發現者為山中伸彌而得名，山中伸彌被授予2006年的諾貝爾生理學或醫學獎，以表彰他發現這四個基因具有細胞重編程能力的傑出貢獻。Belmonte研究組的工作表明，短暫激活這四個基因的表達可以使中年小鼠受損的肌肉和胰腺恢復到年輕狀態，還可以使患有早衰症的小鼠壽命延長30%（早衰症會加速兒童的衰老）。

由於山中因子的作用是改變基因的表觀遺傳狀態，因此一些科學家認為，Belmonte的研究為「衰老是一個表觀遺傳變化的過程」這一觀點提供了進一步的證據。David Sinclair是哈佛大學研究衰老的遺傳學家，他沒有參與Belmonte的研究，但他表示：「我認為表觀遺傳重編程是逆轉衰老的最根本方法，我的實驗室的很多研究表明衰老的許多表徵由表觀遺傳改變引起。」 目前，Sinclair的實驗室已經在準備一篇論文，闡明人類衰老時的表觀遺傳變化是由哪些因素引起的。

索爾克研究所的這項研究用到的實驗對象是中年小鼠。但是這項研究的第一作者Alejandro Ocampo指出：「理論上，這種表觀遺傳重編程應該在任何年齡的小鼠或人類細胞上都能起效，甚至是百歲老人的細胞。」他和Belmonte表示，他們會在後續的研究中提高這種方法的效率並且期望得到更好的效果。此外，他們希望將來可以用更實用的小分子來替代現在的用到的山中因子，並希望最終能夠將這一方法用到人類逆轉衰老上。

Matt Kaeberlein是在華盛頓大學的研究衰老的分子生物學家，他表示：「其他一些研究人員之前就發現山中因子可以使細胞恢復到年輕狀態，所以從這一層面上說，索爾克的研究成果並不意外。」但是Kaeberlein同時強調：「在Belmonte之前，沒有任何研究表明山中因子的短暫表達可以在動物模型中治療與衰老相關的疾病，因此這一點才是Belmonte這項工作最重要的意義。」

Kaeberlein說：「Belmonte的研究表明，衰老可能不僅能夠被延緩，甚至可以被逆轉。這一點非常重要，因為它意味著老人的機體功能有望恢復到青春狀態。可以想像，相比於改變每一個細胞的基因，直接改變個體表觀遺傳組的方法更加實際。」此外，Kaeberlein還提到，這項新研究所觀察到的現象，和喪失功能的衰老細胞被清除後的效果類似。Kaeberlein表示：「Belmonte的工作可能使得衰老細胞凋亡，也可能對其實行了重編程，究竟是哪一種我們目前還不清楚。」

Manuel Serrano是西班牙馬德里國家癌症研究中心的一名研究衰老的專家，他沒有參與這項新研究，但是非常欣賞這項研究。他在電子郵件里寫道：「我完全贊同這項研究的結論。這項研究指出表觀遺傳變化確實是導致衰老的部分原因，而且重編程能夠改正這些表觀遺傳上的錯誤。這將成為未來抗衰老研究發展的基礎。」

索爾克的這項研究同時表明他們對於表觀遺傳狀態的調控是一個非常精細的過程，一旦調控過度便可能導致可怕的後果。研究者發現，當用山中因子長期處理小鼠時，有些小鼠體內產生腫瘤，不到一周便死亡。而當研究者把處理時間從7天降低到2天時，小鼠就可以明顯從這種處理中受益。Sinclair認為這個現象應該給想要延長人類壽命的人帶來警示。Sinclair說：「我們就像是在玩火，因為表觀遺傳調控的尺度難以把握，這也使得索爾克的這項研究難以轉化成監管機構批准的抗衰老藥物。因此Sinclair 認為：「接下來的十年我們需要弄明白：怎樣才能使細胞重編程恰到好處，使之恢復到年輕狀態但又不會恢復到胚胎幹細胞階段（有無限分裂能力）從而形成腫瘤。」

老的肌肉細胞又一次變得年輕。左圖為來自中年小鼠的肌肉細胞，修復機能受損。右圖同來自中年小鼠，但接受了處理，肌肉細胞的修復能力增強。圖片來源： Salk Institute

Sinclari和Kaeberlein都表示，他們希望Belmonte的實驗室能夠證明普通的小鼠經過同樣的基因表觀遺傳狀態改變可以存活更長時間，而不僅僅是治療衰老相關的疾病。

和其他研究抗衰老的研究者們一樣，Belmonte表示他研究衰老起初是為了延長人類的「健康期」，也就是一個人一生中健康生活的時長。而延長「壽命」 ，即一個人活著的時長，這樣的目標則需要更長的時間和更多的努力去實現。事實上，大多數人在過了中年以後都會不幸患上因衰老而產生的疾病，包括心臟病、癌症、阿爾茨海默病等。因此，Ocampo認為：「其實重要的並不是我們能活多少年，而是我們餘生的生活質量能否得到保障。」

Belmonte表示，目前他的團隊正在研究衰老過程是在身體各組織同時發生，還是由某些組織或器官調節著衰老這個過程，當行使調節功能的組織機能受損時，整個生物體就開始衰老。他們認為，下丘腦可能對衰老起一定的調節作用。目前普遍認為，下丘腦是調節內臟活動和內分泌活動的較高級神經中樞，它控制著激素分泌，體溫調控，情緒變化，飢餓感知和晝夜節律等。

還有一些其他的方法被發現可能有抗衰老效果。比如限制飲食、服用雷帕黴素（rapamycin）和聯體結合（parabiosis，一種使年輕小鼠與老年小鼠血液循環系統相溝通的實驗手段）。Keaberlein說：「這些多樣化的抗衰老策略表明，衰老的機制可能不是單一的，因此我們需要同時運用多種互補方法來延長人類的壽命。」

Sinclair 還提到，研究者發現高濃度的白藜蘆醇（一種在紅酒中發現的物質）似乎有抗衰老的功效，它能夠延緩表觀遺傳狀態改變，並且保護細胞不受表觀因子的損害。以上這些方法確實可以逆轉衰老的一些表徵，比如說肌肉萎縮。但是停止運用這些方法以後，衰老會繼續發生。然而，Sinclair告訴我們，Belmonte研究組的工作不同於上述所有方法，理論上，Belmonte的方法可以讓你在一次抗衰老因子處理後年輕十歲或二十歲。當衰老再一次來臨時，你只需要再接受一次抗衰老因子處理即可。

Sinclair認為，這項研究第一次給人類長命百歲的夢想帶來了一絲曙光，並且他表示，他非常願意用這一方法延長壽命，「畢竟，我這47年真如白駒過隙啊。」

https://www.scientificamerican.com/article/aging-is-reversible-at-least-in-human-cells-and-live-mice/

（來源: 環球科學，作者: Karen Weintraub，翻譯：張珂，審校：房苑）

三、美國哈佛大學採用3D列印技術實現首個帶有集成感測器的心臟晶元

美國哈佛大學研究人員研製出首個完全由3D列印的帶有集成感知的器官晶元。該晶元由完全自動、數字製造流程的3D列印技術製造，能夠實現快速和定製製造，可使研究人員容易地為短期和長期研究收集可靠數據。研究成果已發表在《自然材料》上。

背景

器官晶元也被稱為微生理學系統，能夠匹配特定疾病特性，甚至病人的一個單獨細胞，能夠模擬原始組織的結構和功能，在替代傳統動物測試方面具有巨大前景。哈佛大學已研發出能夠模擬肺、心、舌頭、腸微結構的微生理學系統。但對於器官晶元而言，製造和數據收集非常昂貴和耗費人力，如需在凈化間內使用複雜、多步光刻工藝進行製造，需使用顯微鏡或高速攝像機來收集數據。

技術核心

此次進展中，研究團隊通過使用數字製造來同時解決這兩個挑戰：使用3D列印，以及為多材料3D列印研發新的列印墨水，使製造過程能夠自動化，同時增加器件的複雜性。

研究人員研發出6種不同的墨水，能夠將軟應力感測器集成進組織的微架構中。在單個連續的列印過程中，研究團隊將這些材料以3D列印方式帶入一個心臟晶元。

該晶元有多個井，每一個井都包含獨立的組織和集成感測器，研究人員因此能夠一次性地對多種工程化心臟組織進行研究。為了證實器件的有效性，研究團隊進行了藥物研究和對工程化心臟組織收縮應力的長期研究。

3D列印出的集成有感測器的心臟晶元

3D列印設備

意義

論文第一作者、哈佛約翰保爾森工程與應用科學學院（SEAS）博士後、哈佛大學懷斯生理工程研究所的研究人員Johan Ulrik Lind表示：「使用該新型可編程方法來製造器件晶元。並不僅僅能使我們更容易地改變和定製系統設計，還能顯著簡化數據採集過程。」

Lind說「因為缺乏簡單、非通用性的測量組織功能性能的方法，研究人員在面對發生在心臟組織發展和成熟中的逐漸變化時，通常都處於在黑暗中工作的狀態。這些集成的感測器允許研究人員能夠在組織成熟和改進其收縮性的過程中持續收集數據。該技術也支持長期暴露於毒素下而發生逐步變化的研究。」

共同參與該研究的SEAS生理工程和應用物理塔爾家族教授、懷斯研究所核心研究成員Kit Parker說：「我們的微製造技術為體外組織工程、毒理學和藥物篩選開啟了新方法。將微生理器件轉變為真正對人類健康和疾病研究有價值的平台需要突破數據收集和器件製造技術。此次進展為這些核心挑戰提供了潛在解決方案。」

該研究的共同參與者、生物工程漢斯約格維斯教授、懷斯研究所核心研究成員Jennifer Lewis說：「我們通過研發和在列印器件中集成多種功能性材料，正在推進三維列印的邊界。此次進展是一個有力證明，表明我們的平台能夠用於為藥物篩選和疾病建模製造全功能、儀器化晶元。」

資金支持

此次研究由美國國家科學基金會、美國國家衛生研究院國家先進轉化科學中心、美國陸軍研究實驗室、哈佛大學材料研究科學和工程中心（MRSEC）提供資金支持。

四、自我修復機器人成真

一談到自愈超能力，想必很多人第一反應會是《X 戰警》里的金剛狼，不過現在，一支科學家團隊研製出了一種具有自我修復功能，並且能夠彈性伸縮的透明導電材料，可以應用到機器人身上，讓它們具備自我修復能力。

作為該項目團隊成員之一，來自加州大學河濱分校的Chao Wang教授說道：在我很小的時候，就是金剛狼的超級粉絲。從那時起，我就一直在思考一個問題，要是我們的人造材料、設備、或是制動器也具備自愈能力就好了！

在之前的研究中，另一位項目研究成員、科羅拉多大學波爾得分校教授Christoph Keplinger展示了一個類似的可拉伸、透明、的例子電導體，它可以應用到人工肌肉上，但是這個材料很難實現自愈性能。直到Wang和他的團隊加入到此項目之後，他們將帶有正負電荷的分子聚合物融入到高離子強度鹽之中，讓自我修復能力成為現實。

更新後的材料可以拉伸至原尺寸的五十倍，並且能夠在24小時之內完成自我修復，幾乎是即可恢復到最初的電學屬性。實際上，早在十五多年前，研究人員就已經開發除了再生合成凝膠和聚合物，但是Wang特別提到，他所研發的最新可再生材料具備很多專業屬性：這是史上首款將自我治癒能力和離子導電性、拉伸能力、以及透明性能整合到一起的材料。

該材料的一個主要應用，可能會是讓軟性機器人的人工肌肉變得更加強大，因為過去機器人的人造肌肉很容易碎壞，而且修復起來非常麻煩。

Keplinger說道：想像一下，未來會有一種全新的機器人，它們的肌肉是用軟質彈性材料製作的，而且能夠支持可拉伸的電子電路，從而能讓機器人設計更接近於生物設計，並且易於製造出基於柔軟、彈性材料，易損傷且難修復的人造人體組織。不僅如此，具備自我修復能力的機器人也能更好、更快地應用到家政護理行業，幫助照顧老人。

科技大爆炸，人類是否可以實現永續生存？