基于人体的工程学研究具有悠久的历史。它起源于解剖学，应用于各科手术、监测等技术领域中。在过去的二十年间，借助新型技术的发展，生物医学工程经历了一次飞跃式前进。各种人造植入物、医疗辅助设备和模型深入医学领域，工程学与生物学、医学领域之间的交叉地带变得更加广阔。
近期，为了讨论工程学在医学领域中的发展与作用，IEEE 医学和生物学工程学会（EMBS）、约翰·霍普金斯大学（JHU）生物医学工程系和加州大学圣地亚哥分校（UCSD）生物工程系联合组织了为期两天、题为“工程与医学交叉领域的巨大挑战”的研讨会。
研讨会后，参与会议的生物医学工程领域专家联盟又经历了数月的深入讨论，最终确定了五项重大挑战，内容涉及精准医疗、再生医学、大脑接口、免疫科学以及基因工程。该联盟指出，如果使用先进的生物医学工程方法解决这些挑战，可以极大地改善人类健康。基于这五个领域，该联盟还制定了未来研究和资助的路线图。
上述内容最终由来自全球 34 所著名大学的 50 名知名研究人员组成联盟撰写为论文 Grand Challenges at the Interface of Engineering and Medicine，并发布于 IEEE Open Journal of Engineering in Medicine and Biology 期刊。
▲图丨工程与医学交叉领域的巨大挑战（来源：IEEE Open Journal of Engineering in Medicine and Biology）
该论文作者之一、约翰霍普金斯大学生物医学工程系教授兼主任 Michael I. Miller表示，“我们在这里所取得的成就将成为突破性研究的路线图，以改变未来十年的医学格局。该工作组的成果将转化为重要研究和培训机会，有望在未来几十年在工程和医学领域产生共鸣。”
挑战一：连接精准工程和精准医学，打造个性化生理学
以病理机制指导疾病诊断与治疗的方法始于 19 世纪。然而直到今日，即便是对于那些具有潜在发病率和死亡率的普通疾病而言，误诊仍然存在。此外，包括癌症、心血管和自身免疫性疾病在内的众多疾病需要针对病患采取个体化、针对性的治疗手段。
上述需求引发了人们对于精准医学的关注，其中的重点包括根据合并症、遗传学、环境和生活方式等因素确定对于个体患者的有效治疗方法。专家联盟将这种新方法称为AccuMedicine，即精准工程和精准医学的结合，由此涉及到工程和医学领域中的多方面挑战。
在数字化时代，相关工作者可以收集到大量的患者个体数据，临床医生则能够利用这些数据来开发精确的个人生理学模型，其被称为“化身”（avatars）。“化身”实际上是一组精确的患者个体数据，通过将个体患者数据与个性化护理、诊断、风险预测、和治疗联系起来，有望改善医疗效果、成本以及患者体验。对于该方法而言，可穿戴传感器和数字孪生等先进技术将成为应对该挑战的基础。
此外值得注意的是，美国国会最近批准了一项法案，允许提交体外获得的人体生理数据取代临床前动物数据，用于研究药物应用。
挑战二：SmartHuman——按需开发人类组织和器官
人类生命的长度和质量很大程度上取决于重要器官的功能。随着社会步入老龄化阶段，需要修复或更换受损组织和器官的人群逐渐增多。
在 20 世纪 80 年代末，通过将工程学与生命科学相融合，组织工程学应运而生。该领域旨在利用实验室培育的生物替代品修复或替换受损组织和器官。
随着 iPSC 技术、基因编辑、生物传感器和器官芯片等技术的出现，传统的组织工程学发生了改变。新兴技术使得器官功能的恢复与再生成为了可能，并且进一步推动了新治疗方式的发展。如今，按需开发组织和器官（无论是永久植入物还是临时植入物）正在成为现实。
对于该发展方向，干细胞工程、组织工程和相关制造技术方向上的关键进展将在其中起到主导作用。另一方面，组织和器官工程的规模化、智能化背后涉及复杂的交叉领域问题，需要各个行业的共同参与，包括医生、生理学家、生物医学工程师、生物学家、电气和设备工程师以及计算机科学家等。
此外，监管机构和生物制造原理将在技术转化中发挥关键作用。包括人体组织/器官形态和功能的设计原则和规则、干细胞工程以及植入设备/组织的传感/反馈集成等多个领域的研究将构成这一重大挑战的基础。
挑战三：利用 AI 设计大脑接口系统，彻底改变神经科学
几十年来，研究人员在捕获大脑结构和功能信息方面取得了巨大进步。不仅有磁共振成像、脑磁图和脑电图等常用设备，最近的脑机接口（BCI）可穿戴设备也迎来了快速进展。
尽管如此，人类对于大脑功能以及与其实现交互的发展进程才刚刚开始。特别是在脑部疾病领域，对于病因的探查以及疾病治疗依然存在巨大挑战。而在全球范围内，包括阿尔茨海默病（AD）、慢性疼痛或其它神经系统疾病的人群十分庞大，因此针对于大脑疾病的研究对于改善老年人的生活大有帮助。
利用传感设备和计算方面的进步，脑机接口（BCI）技术使得医生理解大脑、并且干预大脑成为了可能。由此带来的挑战是，设计能够与大脑交互并使大脑正常运转的系统。
在先进系统的支持下，专家表示针对于大脑的侵入性和非侵入性测量技术有望得到进一步发展，这将导致对于脑科学疾病的深入理解。除此之外，存储芯片、神经假体等康复技术或将为恢复人类神经功能带来希望。特别是在网络时代中，研究人员能够通过日常监测以分析大脑的各种状态，从而无创地查明部分疾病的病理性原因。
总体而言，该领域涉及了大脑和中枢（CNS）、外周（PNS）和肠（ENS）神经系统。通过人工智能、神经接口等技术的快速进展，研究人员对于神经系统性能的理解将得到进一步深化。
挑战四：利用免疫系统以保持健康
随着对于“免疫工程”科学的不断深挖，利用免疫系统来重新设计人体细胞已经成为了现实。免疫疗法为癌症治疗领域带来了疫苗、基因组、表观基因组和蛋白质工程方面的创新，并且能够与纳米医学技术、功能基因组学和合成转录控制方面结合起来。
在过去的几十年里，免疫科学已经从单一的免疫细胞发展到了今天的复杂免疫细胞库和群体动态。然而，许多功能尚未被了解，并且新的细胞因子仍在不断被识别。对此，研究人员强调，新的免疫工程工具将成为促进免疫科学发展的有力推手，其将为工程免疫疗法和下一代疫苗的发展铺平道路。
对于该领域而言，细胞测序和基因组编辑、细胞制造和材料科学技术、CAR-T 疗法与数据科学等是发展的基础。特别是干细胞和系统生物学、以及发育和系统/合成/计算生物学知识将在理解免疫系统方面发挥重要作用。
挑战五：通过设计和改造基因组，制造工程化生命
基因组突变是众多疾病的根源。如果能够修正发生于基因层面的“错误”，或许就可以治疗疾病。在过去的二十年里，研究人员设计了众多精确且高效的基因工程工具，例如 CRISPR-Cas 系统。它们提供了小分子药物无法实现的治疗策略，然而该领域中仍存在两个基本挑战：研究者对于人类基因组的可塑性和表观遗传调控的了解有限，并且缺乏有效的体内递送工具。
论文强调，了解人类基因组的设计原理及其活性可以帮助人们为不同疾病创建解决方案。而对于体内基因工程的递送而言，生物医学工程是解决该问题的有效方法之一。
毋庸置疑的是，现阶段人类对于基因组、表观遗传调控的了解以及对于转录和翻译过程的控制水平依然较低，因此了解基因组乃至构建表观遗传工具自然是发展重点。
而对于基因疗法而言，其递送系统需要同时满足以下条件：安全，高效且可组织靶向，可调谐，可重复，可制造以实现广泛的可及性。这就需要生物学家、化学工程师和系统工程师之间的跨学科合作。
结语
论文的作者之一、来自加州大学圣地亚哥分校生物工程教授 Shankar Subramaniam认为，这些挑战提供了改变工程和医学实践的独特机遇，包括多尺度传感器和设备形式的创新、人形“化身”的创建以及人工智能驱动的预测模型的开发等，这些都有可以从根本上改变我们的生活方式和对疾病的反应。同时，他也强调了机构在改变生物医学和工程教育、培训优秀人才解决人类健康问题上的重要作用。
精准医疗、再生医学、大脑接口、免疫科学和基因工程等五大挑战领域的发展都需要跨学科的合作和创新。这种合作趋势是推动未来发展的重点，有望为改善医疗效果、降低成本并改善患者体验做出重大贡献。
文章来源网络，由中测校准平台总结发布，供业内读者参考交流，如有侵权，请联系删除