【探索】纳米传感器、芯片为医疗带来的几大黑科技

    前不久，世界经济论坛在达沃斯年会上公布了2016年度十大新兴技术，这些技术无疑会在改善人们生活、推动行业变革和维护地球生态等领域产生巨大作用。与往年相比，今年选中的新兴技术在生物科学领域要更突出，且除了考量不同技术对人类的好处外，也更顾及其对环境的影响。对于持续关注前沿科技的动脉网（公众号：vcbeat）来说，我们对其中的医疗相关技术充满兴趣，并通过本文对此进行了解读。

　　纳米传感器和纳米级物联网将对医学产生巨大影响

　　物联网正处在迅速发展扩张的阶段，分析师们预计直到2020年时，物联网设备总数量会达到300亿。物联网能够赋予普通事物意想不到的能力，尤其是那些由人工智能系统进行监控的设备。比如，当你下班回家时，房门会识别确认你是主人，自动开门。又如一位心脏病患者，当他的心脏已经出现了机能衰弱的迹象时，被植入了患者体内的心脏监护器就会收到信号并且立即向医生呼救。

　　目前，科学家已经开始了缩小传感器的研究，希望能将毫米或微米级别的传感器缩小到对纳米级别，这样就可以使纳米传感器进入人体循环系统中。这项关键研究是传统物联网向纳米级物联网迈进的第一步，一旦成功，纳米级物联网将会对未来的医学和医药制造产生巨大影响。

　　迄今为止，科学家通过使用合成生物学的工具来修饰单细胞生物如细菌的方法，已经制作出了一些目前世界上最先进的纳米传感器。他们的目标是研制出一种外形简洁时尚的生物电脑，这种生物电脑可以利用DNA和蛋白质去识别的特定的化学物质靶标，并存储大量信息，然后改变颜色或者编辑一些易于检测的信号来记录这些信息的位置。Synlogic是一家位于马萨诸塞州剑桥的初创公司，他们现在致力于将经计算生物学研究可治疗一些罕见的代谢紊乱疾病的益生菌株商品化。

　　从智能纳米传感器到纳米级别物联网的过渡已经是不可避免的，但也即将面临一些严峻的挑战。其中，需要跨越的一个技术障碍是需将自供电纳米设备所需的所有组件集成，该设备用于检测变化和向网络发送信号。其它障碍包括一些关于隐私和安全的棘手问题。由于纳米材料本身存在毒性，因此导入体内的任何纳米器件，都对人体都有一定的毒性或引发一系列的免疫反应。

　　除了医学领域之外，纳米传感器与纳米级别物联网还将会对未来的建筑、农业等方面产生巨大影响。当纳米时代真正来临时，我们的身体、家庭、环境、工厂都会得到更好的发展。在未来，你将会看到几十亿、几百亿的纳米传感器收到海量的实时信息，并同步到云端。

　　让开放式人工智能系统成为你的个人健康助理

　　与大多数普通人相比，公司CEO拥有一个明显优势是他们不需要花费过多时间在日常琐事上，如安排约会、做行程安排计划、搜索信息等，因为他们会聘请私人助理来处理处理这些事情。但随着一个开放式人工智能系统的面世，只需要付几杯拿铁咖啡的价格，我们也将能够享受这种奢侈服务了。

    苹果Siri、微软Cortana、谷歌OK Google以及亚马逊Echo，都可以通过自然语言程序将人类提出的问题进行识别处理，但是它们也常常会给出：“对不起，我不知道这件事”或者“这是我从网上找到的”的答复，因此用户不可能把它们和忠诚的助理联系起来。此外，这些系统还是受到专利保护的，所以很难为它们扩展新的功能。

　　在过去的几年中，一些新兴技术的诞生都是以建立功能强大的、拟人化的数字助理为目的，因此就出现了开放式人工智能系统。该系统不仅可以连接到我们的移动设备和计算机并通过它们进入短信、邮件、联系人、日历、和工作档案，还可以连接到卧室的温控器，可穿戴设备、甚至汽车。在互联网与物联网下，用户的个人数据之间是互相连接的，无论身处何地都可以做到即刻与开放式人工智能系统交谈，这将在未来几年内提升数百万人的生活水平以和幸福感。

　　有了开放式人工智能系统，通过收集一些匿名健康数据和提供个性化的健康咨询，可以实质性的改善用户的健康状况并且为他们减少医疗方面的开支。截至现在，机器在很大程度上是不能察觉到我们的身体、生活和工作上的细节。如果高价聘请助理，他就会观察到你什么时候无聊、疲倦、饥饿或者生病，同时还会知道什么人、什么事物对你很重要。因此，这也是开放式人工智能系统的目标发展方向，研究者们正在努力让系统获得这些能够理解人类的能力。

　　与高薪聘请的真人助理相同，数字时代的AI助手也会忠诚的为我们服务，并且保护我们的健康、安全和隐私。它们将会以客户利益最大化为服务宗旨，这些对人工智能的研究来说都是很有趣且意义重大的挑战。

　　升级光遗传技术照亮神经学

　　在过去，神经学家和心理学家可以观察到大脑对各种刺激会做出怎样的反应，并且已经绘制出基因是怎样在整个脑中表达的，但是他们当时无法控制单神经元，以及开启和关闭其他种类的脑细胞。对于研究人员来说，解释大脑产生行为是通过什么路径完成的，本身就是一件非常困难的事。因此，对于帕金森氏症和抑郁症等疾病也不能进行有效的治疗。

　　科学家们曾经尝试过利用电极来记录神经元的活动，这在一定程度上是有效的。但是因为电极刺激会刺激到附近的每一个神经元，所以根本无法区分不同种类的脑细胞，得到的记录结果也显得粗糙、不精准。

　　直到2005年，这个难以解决的问题终于有了新突破。据神经基因学家们探索发现，可以利用一种新的技术来记录神经元的活动，即利用基因工程的方法使神经元对特殊颜色的光作出反应。这种技术于20世纪70年代建立，被称为光遗传技术。它主要用于色素蛋白的研究，也就是视紫红质和视蛋白基因家族编码的研究。这些蛋白质的工作方式和光激活离子泵类似，在微生物以及视力损伤的人群身上使用视紫红质，可以帮助摄取入射光的能量及信息。

　　如今，生物学家将一个或多个视蛋白基因插入小白鼠特定的神经元，他们就可以使用可见光随意控制特定的神经元开启或关闭。多年来，科学家们已经使这些蛋白质能对不同颜色都做出响应，从深红色到绿色到黄色再到蓝色都可以实现。通过将不同的基因导入不同的细胞，再使用各种颜色的光脉冲来激活一个神经元，就能够在精确的时间序列上确定几个相邻的神经元。

　　这个难题的解决是神经科学发展中的一项重要进步，毕竟对于具有生命活性的大脑来说，时间是非常关键的。因为即使大脑发送出的是相同信号，如果时间相差几毫秒就有可能出现完全相反的效果。

　　光遗传技术的发展加快推动了脑科学发展前进的步伐，但是实验人员在将光深度传送到脑组织的问题上却又遇到了阻碍。好在现在已经出现了一种灵活的超薄无线微芯片，它们可以被深度插进脑组织中，并且对脑覆盖组织的损伤非常小。这种设备正在被作为注射装置来帮助无线控制神经元，目前还处于测试阶段。

　　光遗传技术已经为帕金森氏症、慢性疼痛、视力损伤、抑郁症等脑部疾病的治疗打开了新的大门。还有研究表明，在某些情况下，非侵入性光疗法能通过关闭特定的神经细胞来治疗慢性疼痛。目前，全球每4人中就约有1人患有精神疾病，而精神疾病更是大脑损伤的主要来源，可惜光遗传学对其的治疗暂时还不能实现。

    人体器官芯片技术为医药研究带来了新的机遇

　　或许除了在好莱坞的特效工厂以外，你不可能看到漂浮在生物实验室里的活的人体器官。不考虑维持器官在体外保持生命活性的技术困难，完整器官的移植对于科学实验中的应用非常珍贵。但是，其实许多重要的生物学研究和实际药物测试只通过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体身上完成。随着人体器官向微型功能器件发展，目前已经出现了一项新技术，在芯片上就可以实现这方面的需求。

　　在2010年，来自Wyss研究所的Donald Ingber研制出了一种肺芯片，首次在芯片实现了这种技术。于是各机构纷纷投身该技术的研发，以Ingber与Wyss研究所的其他研究人员为领头人，科研人员与工业界以及政府达成合作关系，包括美国国防部高级研究计划局，为此投入了7500万美元。截至目前，已经有多家媒体报道过肺、肝、肾、心脏、骨髓和角膜被成功制成微型模型的新闻。

　　器官芯片的工作原理

　　Wyss研究所采用制作计算机芯片的技术，将活的人体器官细胞植入到芯片中，同时芯片可以模拟细胞在人体内的环境。一个器官芯片的体积与一个闪盘相当，由柔性的半透明聚合物制成。在芯片的槽道中有三个并列的流体通道，两边的通道是真空通道，中间的通道是植入细胞的通道。直径小于一毫米的通道与从人体器官上提取的细胞相连，可以在芯片内复杂的管道中流动。当营养物质、血液、需要测试的化合物，如实验性药物从微流管中泵入时，这些器官的细胞能复制一些活体器官的关键功能。

　　在中间通道的正中间有一层有透性的生物膜，薄膜上布满小孔。在薄膜的上面铺满一层肺细胞，薄膜的另一面铺满血管细胞。因此，薄膜上面可以流通空气，下面可以流通血液。另外，两侧的真空通道可以收缩，同时带动中间的通道一同收缩，于是肺细胞也跟着收缩，这就模拟了人体肺泡在呼吸过程中的收缩生理过程。同样的，血液中的细菌也可以从通道进入，科学家们就可以观察到细胞在细菌感染后的免疫反应，这些实验对人体都不会造成任何风险。因此，这项技术可以让科学家们清楚的看到、了解在从前他们不曾亲眼见过的生物学机制和生理行为。

　　为医药研究带来新机遇

　　器官芯片的出现将推动新药研发。药企可以通过模拟人体器官的功能，去更加真实、精确的测试筛选药物。在2015年，就有一家公司使用芯片模仿内分泌细胞分泌激素到血液中的途径，并使用该内分泌细胞芯片对治疗糖尿病的药物进行了关键测试。还有一些团队正在探索如何在个性化医学上使用器官芯片。从原理上说来，患者自身细胞构建是可以用于这些芯片上的。对其进行测试，结果显示能够运行，因此器官芯片在个体化疗法方面很可能取得成功。

　　最后，我们有理由相信，器官芯片可以大大降低医药行业中药物实验对于实验动物的依赖性。全世界每年都有数以百万计的动物因为药物实验牺牲，在社会上引发着激烈的争论。除开伦理的考虑，研究人员已经证明实验动物的巨大浪费是因为很少有人能够在药物如何在人类体内反应提出可靠见解，因此需要通过大量重复的动物实验进行研究。在这方面，与在动物身上进行药物测试相比，通过器官芯片测试可能会取得更好的效果。