2018国际生命科学与生物技术发展态势

随着大数据技术的快速发展，生命科学研究正向基于数据的科学发现范式转变。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。生命科学走向成熟，逐渐向数字化、平台化与工程化发展。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，进一步增强了生物技术在医药、工业和农业等领域的应用深度与广度。

近年来，现代生命科学与生物技术取得一系列重要进展和重大突破，并正在加速向应用领域渗透，在解决人类发展面临的环境、资源和健康等重大问题方面展现出广阔的应用前景。

 

重大研究进展

01

生命图谱的绘制范围日益扩大

层次不断递进

 

生命图谱绘制为解析生命、认识生命提供基础，正逐渐从分子图谱扩展到细胞图谱。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首次合作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。美国哈佛大学-麻省理工学院Broad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，追踪其不同时间点的折叠状态。

 

02

人体微生物组的研究

证明其与健康和疾病发生密切相关

 

2017年，美国国立卫生研究院（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了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影响肠道微生物组成，以诱导辅助性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医疗，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。

 

03

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

 

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。美国斯克里普斯研究所等机构展开合作，在大肠杆菌的细胞DNA中，加入两种外源化学碱基，并完成活细胞DNA转录与蛋白质翻译；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年又有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。

 

04

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，其目标就是疾病的精准分类、预防、诊断和治疗。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中；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，食管癌是两种不同类型的癌症；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，成为美国食品药品监督管理局（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。

 

05

细胞治疗技术为

重大疾病和慢性疾病患者带来福祉

 

科学发展产生了大量的新技术、新突破，为疾病预防、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、美国宾夕法尼亚大学、美国凯撒医疗集团等机构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。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《科学》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体外构建造血干细胞，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。

 

技术进步

01

生物成像技术与基因编辑技术

愈发准确高效

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，美国哈佛大学、美国哈佛大学-麻省理工学院Broad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，这一进展入选《科学》杂志评选的2017年年度十大突破。基因编辑技术已初步进行疾病治疗的探索，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。

 

02

测序技术和仪器研发向

高通量、高精度、低成本和便携性迈进

单细胞测序新技术不断改进，北京大学与美国哈佛大学开发的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技术实现了对单细胞进行多达5个层面（染色质状态、核小体定位、DNA甲基化、基因组拷贝数变异和染色体倍性）的基因组和表观基因组的特征分析。

 

高通量、高精度、低成本和便携性是测序技术和仪器研发的方向。纳米孔测序技术入选2016年《科学》评选的十大科学突破。Oxford Nanopore公司便携式纳米孔测序仪MinION不仅完成了对埃博拉病毒的现场检测，而且在国际空间站展开了对鼠、病毒和细胞的DNA测序及人类全基因组测序，这些应用证实了纳米孔测序技术在测序中的应用潜力。一系列新型测序技术也不断涌现，由英国诺丁汉大学开发的Read Until测序技术通过与纳米孔测序联用，实现了高度选择性的DNA测序。第二代基因测序技术也在不断改进，Illumina在2017年年初推出了NovaSeq新型测序仪，有望将人类全基因组测序成本降至100美元。

 

03

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、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基于免疫荧光（IF）显微镜技术，合作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。

 

04

人机交互等工程化技术

有助于人类机体增强和寿命延长

脑-机接口技术是下一个科学前沿，美国凯斯西储大学利用BrainGate2系统实现了脊髓受损患者对自身肢体的意念控制；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。美国哥伦比亚大学、美国辛辛那提儿童医院在体外构建了肺、肠、胃；美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室利用芯片大脑模拟研究药物对大脑的影响，多种类器官或器官芯片为药物研发和疾病研究提供了更加优化的模型，未来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。

 

05

大数据、人工智能深刻影响生命科学研究

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，美国IBM Watson、我国香港中文大学、美国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中表现出应用潜力。

本文摘编自科学技术部社会发展科技司，中国生物技术发展中心编著《2018中国生命科学与生物技术发展报告》总论部分内容，略有删减改动。

《2018中国生命科学与生物技术发展报告》

科学技术部社会发展科技司，中国生物技术发展中心　编著

责任编辑：王玉时

北京：科学出版社，2018.11

ISBN：978-7-03-059180-7

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《2018中国生命科学与生物技术发展报告》总结了2017年我国生命科学基础研究、生物技术应用和生物产业发展的主要进展情况，重点介绍了我国在生命组学与细胞图谱、脑科学与神经科学、合成生物学、表观遗传学、结构生物学、免疫学、再生医学、新兴与交叉技术等领域的研究进展，以及生物技术应用于医药、工业、农业、环境等方面的情况，分析了我国生物产业的现状和发展态势，并对2017年生命科学论文和生物技术专利情况进行了统计分析。本书分为总论、生命科学、生物技术、生物产业、投融资、文献专利6个章节，以翔实的数据、丰富的图表和充实的内容，全面展示了当前我国生命科学、生物技术和生物产业的基本情况。

（本期编辑：小文）

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