2018國際生命科學與生物技術發展態勢
隨著大數據技術的快速發展，生命科學研究正向基於數據的科學發現範式轉變。物理學、材料學、計算科學等多學科與生命科學交叉融合的發展，推動了生物成像、基因編輯技術、單細胞技術、生命組學等技術不斷革新，大大提高了人類認識和解析生命的能力。生命科學走向成熟，逐漸向數字化、平台化與工程化發展。基因編輯、再生醫學、3D 列印、合成生物學、腦機介面等技術的快速發展，進一步增強了生物技術在醫藥、工業和農業等領域的應用深度與廣度。
近年來，現代生命科學與生物技術取得一系列重要進展和重大突破，並正在加速嚮應用領域滲透，在解決人類發展面臨的環境、資源和健康等重大問題方面展現出廣闊的應用前景。
重大研究進展
01
生命圖譜的繪製範圍日益擴大
層次不斷遞進
生命圖譜繪製為解析生命、認識生命提供基礎，正逐漸從分子圖譜擴展到細胞圖譜。瑞典皇家理工學院等機構合作繪製了癌症病例圖譜「Atlas」；北京大學聯合美國安進公司等機構，合作構建了單細胞水平肝癌微環境免疫圖譜，這些圖譜為疾病發生機制研究提供重要啟示。華中科技大學等機構首次合作繪製出乙醯膽鹼能神經元全腦分布圖譜、全腦精細血管立體定點陣圖譜。美國哈佛大學-麻省理工學院Broad研究所等機構合作完成了首張高解析度小腸細胞圖譜的繪製。美國貝勒醫學院等機構合作構建出首個高解析度的人基因組摺疊四維圖譜，追蹤其不同時間點的摺疊狀態。
02
人體微生物組的研究
證明其與健康和疾病發生密切相關
2017年，美國國立衛生研究院（NIH）「人類微生物組計劃（HMP）」發布第二階段成果，揭示了人體微生物組的時空多樣性。人體微生物組與疾病關係研究進入機制研究階段，揭示了微生物組調控多種疾病進程的因果機制。美國華盛頓大學和俄羅斯聖彼得堡國立技術大學合作進行了基於特定腸道微生物代謝途徑的分析，揭示其影響免疫應答的分子機制；德國柏林夏里特醫學院聯合美國麻省理工學院等機構合作證實高鹽飲食影響腸道微生物組成，以誘導輔助性T細胞17（TH17）驅動自身免疫，進而引起高血壓。與此同時，人體微生物組研究助力癌症精準醫療，美國芝加哥大學、法國古斯塔夫·魯西癌症研究所等機構相繼證實腸道微生物組成影響黑色素瘤和上皮性腫瘤PD-1免疫療法的治療效果；多國機構合作發現人體微生物組影響化療藥物吉西他濱、5-氟尿嘧啶的療效。微生物組藥物研發正處於藥物發現/臨床試驗階段，並持續推進。
03
仿生與創製能力的發展
提高人體機能增進和疾病防診治的水平
合成生物學在非天然鹼基的合成與應用、生物大分子設計乃至全基因組的創製等領域取得了重大進展。美國斯克里普斯研究所等機構展開合作，在大腸桿菌的細胞DNA中，加入兩種外源化學鹼基，並完成活細胞DNA轉錄與蛋白質翻譯；美國加州理工學院、德國慕尼黑理工大學、美國哈佛大學醫學院聯合法國國家健康與醫學研究院等機構分別利用分型組裝、逐步構建、DNA「積木」等新型DNA摺紙策略，生成了納米尺度、不同形狀的自組裝架構；繼2014年第1條酵母染色體被合成後，2017年又有5條染色體被法國國家科學研究院聯合中國天津大學等機構合作構建完成。
04
精準醫學成為臨床實踐新方向
疾病防治手段更加多樣化
以生命組學、大數據技術、大隊列為核心的精準醫學正在成為醫學研究的主要模式，其目標就是疾病的精準分類、預防、診斷和治療。2017年，美國癌症聯合委員會首次將分子標記納入乳腺癌的分期標準中；加拿大BC癌症研究所等機構分析確定了7種卵巢癌分子亞型；美國國立衛生研究院基於基因組學研究發現了8種宮頸癌亞型；美國癌症基因組圖譜研究計劃綜合分析發現，食管癌是兩種不同類型的癌症；美國麻省綜合醫院等機構利用單細胞RNA測序技術，為腦神經膠質瘤的精準分型提出新思路。基因檢測、液體活檢等為早診提供了重要技術手段，美國加州大學聖地亞哥分校已開發出高通量甲基化無創檢測新技術；美國約翰·霍普金斯大學醫學院聯合應用液體活檢和蛋白腫瘤標誌物檢測，實現一次檢測8種不同的早期腫瘤。美國默沙東公司研發的藥物Keytruda用於治療所有「MSI-H/dMMR亞型」實體腫瘤，成為美國食品藥品監督管理局（FDA）首次按照分子特徵而不是根據組織來源區分腫瘤類型而批准的藥物。
05
細胞治療技術為
重大疾病和慢性疾病患者帶來福祉
科學發展產生了大量的新技術、新突破，為疾病預防、診治提供更為多樣化的手段。免疫療法為癌症治療提供新手段，免疫檢查點抑製劑和細胞免疫療法是當前免疫療法研究熱點。美國加州大學戴維斯綜合癌症中心、美國賓夕法尼亞大學、美國凱撒醫療集團等機構的多項臨床試驗揭示免疫檢查點抑製劑聯合化療療效顯著，美國默沙東公司的PD-1單抗Pembrolizumab聯合培美曲塞和卡鉑一線治療非鱗非小細胞肺癌已經獲批。FDA批准首個基因療法——瑞士諾華公司的Kymriah上市，開啟了CAR-T和基因療法產業元年，成為醫藥研發的又一個風口。基因療法也入選了《科學》雜誌評選的2017年年度十大突破，美國Spark Therapeutics公司的「矯正型」基因療法Luxturna已用於治療遺傳性視網膜病變。
幹細胞的應用前景日趨明朗，在代謝性疾病、神經疾病、生殖疾病、眼部疾病、心血管疾病等多種疾病中顯示出治癒潛力。2017年，美國波士頓兒童醫院及康奈爾維爾醫學院分別實現了體外構建造血幹細胞，有望突破白血病治療的細胞來源瓶頸；美國華盛頓大學首次在成年小鼠眼中再生出功能正常的視網膜細胞。
技術進步
01
生物成像技術與基因編輯技術
愈發準確高效
生物成像技術正在向精確、深度、實時、活體方向發展。2017年，冷凍電子顯微鏡獲得諾貝爾化學獎。
基因編輯技術大大提高了操控和改造生命的效率和準確性，正在生命科學全領域中進行應用研究。該技術更加精準，已經實現點對點的編輯，美國哈佛大學、美國哈佛大學-麻省理工學院Broad研究所先後實現了精準靶向編輯DNA和RNA中的單個突變，為治療點突變遺傳疾病提供了重要工具，這一進展入選《科學》雜誌評選的2017年年度十大突破。基因編輯技術已初步進行疾病治療的探索，基於基因編輯技術的臨床試驗也持續開展，並有望在2018年取得突破。
02
測序技術和儀器研發向
高通量、高精度、低成本和便攜性邁進
單細胞測序新技術不斷改進，北京大學與美國哈佛大學開發的LIANTI技術、美國俄勒岡健康與科學大學開發的SCI-seq、奧地利科學院等機構開發的CROP-seq技術提高了通量、保真性、基因覆蓋率等技術性能。多重組學單細胞測序技術也是開發重點，北京大學建立的single-cell COOL-seq技術實現了對單細胞進行多達5個層面（染色質狀態、核小體定位、DNA甲基化、基因組拷貝數變異和染色體倍性）的基因組和表觀基因組的特徵分析。
高通量、高精度、低成本和便攜性是測序技術和儀器研發的方向。納米孔測序技術入選2016年《科學》評選的十大科學突破。Oxford Nanopore公司攜帶型納米孔測序儀MinION不僅完成了對埃博拉病毒的現場檢測，而且在國際空間站展開了對鼠、病毒和細胞的DNA測序及人類全基因組測序，這些應用證實了納米孔測序技術在測序中的應用潛力。一系列新型測序技術也不斷湧現，由英國諾丁漢大學開發的Read Until測序技術通過與納米孔測序聯用，實現了高度選擇性的DNA測序。第二代基因測序技術也在不斷改進，Illumina在2017年年初推出了NovaSeq新型測序儀，有望將人類全基因組測序成本降至100美元。
03
新一代生命組學技術水平進一步提高
基因組測序技術和設備向高精度、長讀長、低成本、攜帶型方向發展，助力高質量基因組圖譜的繪製，為解析生命鋪平道路。美國加州大學聯合英國伯明翰大學等機構合作，利用納米孔測序儀MinION首次對人類基因組進行了組裝。單細胞RNA測序技術、表觀轉錄組、空間轉錄組等轉錄組分析技術的進步，為繪製更為精確的轉錄組圖譜奠定基礎，北京大學和美國康奈爾大學合作實現全轉錄組水平上單鹼基解析度的1-甲基腺嘌呤修飾位點鑒定。
蛋白質組學研究已經從單純提高覆蓋率的定性研究向更加真實地描述生物體本質的定量研究和空間分布研究發展，瑞典皇家理工學院聯合英國劍橋大學等機構基於免疫熒光（IF）顯微鏡技術，合作繪製人類蛋白質組亞細胞圖譜，描述了蛋白質在多個細胞器和亞細胞結構中的空間分布。
代謝組分析技術向超靈敏、高覆蓋、原位化方向發展，代謝產物成為疾病篩查的重要標誌物。
與此同時，多組學交叉、多維度分析正在推動系統生物學的深入發展，以更好地理解人類疾病的致病機理。
04
人機交互等工程化技術
有助於人類機體增強和壽命延長
腦-機介面技術是下一個科學前沿，美國凱斯西儲大學利用BrainGate2系統實現了脊髓受損患者對自身肢體的意念控制；美國斯坦福大學通過腦-機介面完成了腦電波控制的電腦字元快速、精準輸入。
組織工程、3D列印、類器官構建、器官晶元等一系列技術的交叉融合和快速突破，成為組織、器官製造領域的「助推劑」。科研人員利用體外構建的組織實現了對脊髓損傷、軟骨損傷、視網膜損傷等多種疾病的替代修復治療。美國哥倫比亞大學、美國辛辛那提兒童醫院在體外構建了肺、腸、胃；美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室利用晶元大腦模擬研究藥物對大腦的影響，多種類器官或器官晶元為藥物研發和疾病研究提供了更加優化的模型，未來有可能實現有完整功能的器官再造，為器官移植提供更多供體。
05
大數據、人工智慧深刻影響生命科學研究
全面賦能健康與醫療
在健康與醫療領域，大數據、互聯網、可穿戴設備、人工智慧的結合帶來了全新的智慧醫療模式，正在改善醫療供給模式，重構健康服務體系。以市場化應用最為突出的IBM Watson為代表，人工智慧已快速滲透醫療健康領域，用於疾病診斷和病理分析，美國IBM Watson、我國香港中文大學、美國谷歌公司等機構分別開發的人工智慧系統在腦癌、皮膚癌、肺癌、乳腺癌、胃癌等癌症的分析診斷與輔助治療中表現出應用潛力。
本文摘編自科學技術部社會發展科技司，中國生物技術發展中心編著《2018中國生命科學與生物技術發展報告》總論部分內容，略有刪減改動。
《2018中國生命科學與生物技術發展報告》
科學技術部社會發展科技司，中國生物技術發展中心 編著
責任編輯：王玉時
北京：科學出版社，2018.11
ISBN：978-7-03-059180-7
可購本書
《2018中國生命科學與生物技術發展報告》總結了2017年我國生命科學基礎研究、生物技術應用和生物產業發展的主要進展情況，重點介紹了我國在生命組學與細胞圖譜、腦科學與神經科學、合成生物學、表觀遺傳學、結構生物學、免疫學、再生醫學、新興與交叉技術等領域的研究進展，以及生物技術應用於醫藥、工業、農業、環境等方面的情況，分析了我國生物產業的現狀和發展態勢，並對2017年生命科學論文和生物技術專利情況進行了統計分析。本書分為總論、生命科學、生物技術、生物產業、投融資、文獻專利6個章節，以翔實的數據、豐富的圖表和充實的內容，全面展示了當前我國生命科學、生物技術和生物產業的基本情況。
（本期編輯：小文）
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