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      仿血管、仿腎臟、人工肝臟……有多少福音生物醫(yī)學(xué)工程帶來(lái)

      2018-03-12 09:05:16曹曉晨陳映其
      大學(xué)生 2017年12期
      關(guān)鍵詞:生物醫(yī)學(xué)器官芯片

      曹曉晨 陳映其

      懂生物、懂工程

      走進(jìn)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,副院長(zhǎng)周平老師熱情地為我們介紹起學(xué)科歷史來(lái):“國(guó)內(nèi)最早設(shè)立這門學(xué)科的高校是1978年的西安交大,浙江大學(xué)緊隨其后,1983年便是我們東大。學(xué)科創(chuàng)始人韋鈺院士對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展進(jìn)行了頗具前瞻性的布局,1981年從海外回國(guó)后,她就提出發(fā)展生物電子學(xué)的想法,生物分子電子學(xué)的基礎(chǔ)研究也隨之展開(kāi)。1985年,國(guó)內(nèi)第一個(gè)分子與生物電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室建成,1993年,國(guó)內(nèi)第一個(gè)‘生物電子學(xué)博士點(diǎn)創(chuàng)建。這些都使我們的學(xué)科發(fā)展具備了先天優(yōu)勢(shì)。也因此,對(duì)生物芯片、分子電子學(xué)的研究,東南大學(xué)在國(guó)內(nèi)都是最早的。”

      “生物醫(yī)學(xué)工程,實(shí)際上更多的是發(fā)展一些新的材料,新的器件、儀器或者是技術(shù),來(lái)解決生命科學(xué)的問(wèn)題。首先得懂生物,知道生物、醫(yī)學(xué)是什么樣的,其次要懂得怎樣去做工程,這就涉及到物理、化學(xué)材料,包括機(jī)械、電子、儀器等等各個(gè)方面了?!睘榱俗屛覀兩钊肓私膺@門學(xué)科,周老師邀請(qǐng)來(lái)學(xué)院多位老師和同學(xué),一起來(lái)探討這門學(xué)科的復(fù)雜和有趣之處。

      仿器官、造儀器

      生物醫(yī)學(xué)工程研究的領(lǐng)域挺多。

      [器官芯片和單細(xì)胞分析]

      器官芯片一直以來(lái)都是國(guó)際前沿和一流研究的“香餑餑”,美國(guó)奧巴馬的施政方針中就曾有過(guò)詳細(xì)的規(guī)劃。那么器官芯片究竟有何用處呢?對(duì)此,副院長(zhǎng)趙祥偉教授向我們解釋道:“器官芯片主要用于進(jìn)行藥物實(shí)驗(yàn),降低藥物篩選風(fēng)險(xiǎn),減少對(duì)人體的副作用。眾所周知,藥物在臨床使用前需要長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)物實(shí)驗(yàn),而我們只取人體的部分細(xì)胞模擬器官和系統(tǒng),在芯片上模擬化學(xué)反應(yīng),可做出仿血管、仿腎臟等多種材料。”一般來(lái)說(shuō),一種新藥從研發(fā)到生產(chǎn),再到投入臨床往往需要十幾年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。很多藥物研發(fā)失敗往往是由于最后不能適用于人體,他們用人的器官和組織代替猴子、豬、狗等動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn),避免了倫理道德問(wèn)題,也更接近人體實(shí)際情況。此外,芯片作為化學(xué)反應(yīng),出結(jié)果的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于動(dòng)物,更是大大加快了臨床推進(jìn)的周期。

      針對(duì)該方向目前的發(fā)展,周老師向我們做了細(xì)致的描繪:目前,相關(guān)團(tuán)隊(duì)正針對(duì)藥物作評(píng)估的臨床實(shí)驗(yàn),比如以納米材料為基礎(chǔ)做出人工肝臟,在肝臟細(xì)胞逐漸成長(zhǎng)后放入藥物,然后觀察肝臟如何代謝、藥物對(duì)肝臟有哪些損傷等。雖然基礎(chǔ),但學(xué)院在該方面的研究已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,“器官芯片學(xué)科創(chuàng)新引智基地”也入選了國(guó)家“111計(jì)劃”(該計(jì)劃瞄準(zhǔn)國(guó)際學(xué)科發(fā)展前沿,以國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科為基礎(chǔ),從世界范圍排名前100位的著名大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)學(xué)科隊(duì)伍中,引進(jìn)、會(huì)聚1000余名優(yōu)秀人才,形成高水平的研究隊(duì)伍,建設(shè)100個(gè)左右世界一流的學(xué)科創(chuàng)新引智基地)。

      器官芯片的研究前景雖一片光明,但亟待解決的問(wèn)題也不少:如何預(yù)防、干預(yù)、后續(xù)治療;人體和病癥之間怎樣相互作用;藥物需要多大劑量才會(huì)產(chǎn)生效果等等。博士生王潔告訴我們,人體的每個(gè)器官由許多組織構(gòu)成,組織又可拆解成各種細(xì)胞,每個(gè)細(xì)胞通過(guò)三維的方式生長(zhǎng)。一旦細(xì)胞被拿出體外放在芯片上培養(yǎng),它就會(huì)受到空間的影響而坍塌、拉長(zhǎng),無(wú)法保持在體內(nèi)生長(zhǎng)的效果。因此,如何“培養(yǎng)”出一顆健康的立體人工器官,是目前師生們的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

      除了器官芯片,學(xué)院在生物芯片方面的研究也同樣可圈可點(diǎn)。近日,常寧博士帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出世界領(lǐng)先的光子晶體微球技術(shù),只需將最低50微升的樣品放入運(yùn)用該技術(shù)的自動(dòng)檢測(cè)儀中,5~10分鐘即可一鍵式完成對(duì)肝癌、肺癌、胰腺癌、前列腺癌等多種常見(jiàn)癌癥標(biāo)志物的檢測(cè)。此外,學(xué)院老師還在進(jìn)行大腦相關(guān)的研究,如研究人腦在學(xué)習(xí)過(guò)程中的生物學(xué)、醫(yī)學(xué)機(jī)制;主攻生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù),包括人腦活動(dòng)和腦之外的遺傳學(xué)、基因、疾病關(guān)聯(lián)信息。

      [納米生物學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)成像]

      器官芯片是生物醫(yī)學(xué)工程非常前沿的方向,但它只屬于納米生物材料的一小部分。在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域,納米生物和生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)成像可謂是形影不離的“三人行”。納米生物可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像,醫(yī)學(xué)成像能服務(wù)于生物力學(xué),生物力學(xué)與納米生物也在多個(gè)領(lǐng)域密不可分,三者深度交叉,相互影響。

      磁共振是不少疾病確診的重要“顯示屏”,花在它身上的功夫必不可少?!拔覀兊拇判约{米材料可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像,從醫(yī)學(xué)院臨床的試驗(yàn)對(duì)照來(lái)看,我們用做出來(lái)的磁共振造影劑效果遠(yuǎn)比目前商用的好,和照片底片一樣清晰,能在手術(shù)過(guò)程中準(zhǔn)確地引導(dǎo)醫(yī)生,這是技術(shù)上的一個(gè)巨大突破!”周老師自豪地說(shuō)道。目前,他們已拿到這種材料制備的生產(chǎn)許可批文。

      在醫(yī)院里,CT(電子計(jì)算機(jī)斷層掃描)也是呈現(xiàn)器官影像的重要儀器,但目前醫(yī)院臨床使用的CT體積較大且分辨率有限,對(duì)小型個(gè)體、局部器官等的成像能力,難以滿足科研的需求。羅守華教授研發(fā)了一款高分辨率顯微CT,為更精細(xì)的骨骼力學(xué)研究提供了可能。周老師提到:“我們研究骨質(zhì)疏松問(wèn)題時(shí),需要觀察骨里面的骨小梁,但骨小梁的厚度只有200微米左右,有的地方僅100微米,臨床CT分辨率太低,基本無(wú)法顯示,這時(shí)羅教授的顯微CT就能大顯身手?!笔聦?shí)上,研發(fā)出微米級(jí)別的設(shè)備已十分艱難,羅教授的新儀器卻能達(dá)到幾百納米的分辨率,這是一個(gè)飛躍。有了高精尖設(shè)備的加持,羅教授團(tuán)隊(duì)與眾多高校、院所進(jìn)行了合作,如與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品安全方向的項(xiàng)目合作,利用顯微CT進(jìn)行食品安全的檢測(cè)。

      這三個(gè)研究方向交叉性強(qiáng)的特點(diǎn),在具體應(yīng)用時(shí)體現(xiàn)得最充分。比如探究骨質(zhì)疏松的程度時(shí),需要運(yùn)用影像學(xué)、生物力學(xué)和物理學(xué)的知識(shí);如果對(duì)骨進(jìn)行治療,則有可能涉及納米生物學(xué)和生物力學(xué)的內(nèi)容;若進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換、骨關(guān)節(jié)置換手術(shù)等,納米生物學(xué)又可大顯身手。如今,醫(yī)生們對(duì)骨質(zhì)疏松的診斷不太精確,時(shí)常出現(xiàn)誤診:手術(shù)后,骨植入物的生長(zhǎng)與人體的匹配效果不佳,可能會(huì)脫落或?qū)е螺^為惡劣的副反應(yīng)。霍夢(mèng)科同學(xué)是鉆研骨模型的一把好手,提到自己擅長(zhǎng)的生物力學(xué)方面,他神采飛揚(yáng):“基于這些問(wèn)題,我首先要建立骨模型,其次從力學(xué)或營(yíng)養(yǎng)學(xué)角度進(jìn)行總體分析。其中還涉及到力學(xué)模擬、圖像學(xué)的特征采集等內(nèi)容,這是個(gè)很復(fù)雜的工作?!?

      [基因測(cè)序和生物信息學(xué)]

      除了顯微CT,學(xué)院里還有一臺(tái)“鎮(zhèn)院之寶”——高通量DNA測(cè)序儀?;驕y(cè)序技術(shù)被看作自疫苗問(wèn)世以來(lái)疾病預(yù)防最重要的科技突破,它不僅可以大大降低遺傳相關(guān)的疾病發(fā)生率,減少出生缺陷,還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病預(yù)測(cè)、預(yù)防、預(yù)警以及個(gè)體化診療。

      徐春祥教授向我們介紹道,基因測(cè)序分析儀,是學(xué)院從科學(xué)基礎(chǔ)研究到技術(shù)實(shí)現(xiàn)的最好體現(xiàn)。學(xué)院研發(fā)出來(lái)的儀器,如今在世界最大的基因測(cè)序公司華大基因運(yùn)行。以這個(gè)機(jī)器為基礎(chǔ),研究團(tuán)隊(duì)參與了許多有重大影響的基因序列分析?,F(xiàn)在,他們主要在做第三代的單分子測(cè)序技術(shù),“美國(guó)不少大學(xué)都在用我們開(kāi)發(fā)的平臺(tái)做基因的預(yù)測(cè)?!?/p>

      [移動(dòng)醫(yī)療]

      東大生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的科研不僅遍及普通醫(yī)院的醫(yī)療,就連航天領(lǐng)域也有“涉足”。天宮一號(hào)中測(cè)量宇航員尿液的便攜式傳感器,便是學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)做的。這個(gè)便攜式傳感器可以通過(guò)生物芯片監(jiān)控宇航員尿液中的三硝基苯胺含量,監(jiān)測(cè)他們?cè)谟钪嬷械南才?lè)等情緒,再由天宮一號(hào)傳回地面,為航天實(shí)驗(yàn)提供了直觀又準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。周老師笑道:“說(shuō)白了,醫(yī)學(xué)電子就是做儀器,把方法變成實(shí)體。”將科研成功轉(zhuǎn)化成實(shí)體設(shè)備是產(chǎn)學(xué)研環(huán)節(jié)中的重要一環(huán),醫(yī)學(xué)電子學(xué)是“必經(jīng)之路”,移動(dòng)醫(yī)療就是“終極理想”。

      學(xué)院里還有位年輕教師,正計(jì)劃制作一臺(tái)采集生物醫(yī)學(xué)信息的小型便攜式儀器——能在專家不在場(chǎng)的環(huán)境下(如家中)得到較為準(zhǔn)確的生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)。采集完數(shù)據(jù)后,還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系到具體的醫(yī)生專家系統(tǒng)?!叭绻麥y(cè)出的血壓、心跳、脈搏,甚至血糖、尿液信號(hào)不正常,這臺(tái)儀器就會(huì)報(bào)警,醫(yī)生和專家系統(tǒng)也同時(shí)能夠得知,并提出干預(yù)方案?!敝芾蠋煾嬖V我們,目前全球都在加緊研究這類儀器,國(guó)家也在積極倡導(dǎo),東大已將此列入進(jìn)一步建設(shè)“雙一流”的規(guī)劃之中。

      培養(yǎng),非“用”

      為培養(yǎng)出生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的領(lǐng)軍人才和復(fù)合型人才,東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院有著超前的培養(yǎng)理念。從之前本科生畢業(yè)時(shí)僅可獲工學(xué)學(xué)位,到后來(lái)可獲醫(yī)工雙學(xué)位,再到目前學(xué)院實(shí)行的國(guó)內(nèi)該專業(yè)唯一的七年一貫制培養(yǎng)方式,學(xué)院逐漸形成了一套完善的人才培養(yǎng)體系。

      學(xué)院非常重視基礎(chǔ)課程,物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)、電子等科目自然不必說(shuō),每位同學(xué)還必須學(xué)習(xí)“傳說(shuō)中”最難的數(shù)學(xué)——工科數(shù)字分析。與此同時(shí),學(xué)院還“兩手抓”,鼓勵(lì)學(xué)生盡早開(kāi)展學(xué)科研究。“從大二開(kāi)始,學(xué)校和學(xué)院都會(huì)設(shè)立科研項(xiàng)目,鼓勵(lì)同學(xué)們根據(jù)自身方向和興趣選擇,盡早確立自己的研究方向。”

      在學(xué)生的培養(yǎng)過(guò)程中,老師們重點(diǎn)培養(yǎng)的是學(xué)生解決問(wèn)題的能力,采用了“培養(yǎng)”而不是“用”的思路,注重讓學(xué)生有自己的想法,盡可能不依賴?yán)蠋熑〉酶蟮某删??!拔铱梢愿嬖V你怎么做實(shí)驗(yàn),但只會(huì)告訴你基本步驟,至于每次加多少毫升,先后加什么等具體內(nèi)容,就要你自己來(lái)設(shè)計(jì)?!敝芾蠋煆?qiáng)調(diào),讓學(xué)生知道“我該怎么做”,是學(xué)院最注重培養(yǎng)的能力,貫穿在學(xué)生學(xué)習(xí)、科研、畢設(shè)等各方面。

      周老師以霍夢(mèng)科同學(xué)為例:“他的研究首先要把骨模型抽象成物理理論,然后變成數(shù)學(xué)問(wèn)題,再用一個(gè)完整嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型去表述機(jī)理和設(shè)計(jì)方案,接著做實(shí)驗(yàn)、分析結(jié)果,再反饋結(jié)論是否正確。整個(gè)過(guò)程中涉及的理論、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和具體制作,如果不清楚自己要什么,以及如何實(shí)現(xiàn),研究一定是做不下去的?!被敉瑢W(xué)說(shuō):“目前,我做的是將CT中采集骨數(shù)據(jù)的圖像進(jìn)行提取分析,然后做出診斷及術(shù)后分析。如老師所說(shuō),整個(gè)模型就是在不斷實(shí)驗(yàn)、不斷修改、不斷更正之前的猜想中成型的。研究問(wèn)題首先提出的是猜想,這個(gè)是最主要的,接著還要反復(fù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證。現(xiàn)在,我已經(jīng)有了整個(gè)模型框架以及大概推導(dǎo)的公式。”

      王潔同學(xué)介紹道:“我主要的工作是細(xì)胞的三維培養(yǎng),弄清細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與外界相互作用的條件,讓它在體外長(zhǎng)成和體內(nèi)一樣的立體形態(tài)。理論上的匹配條件不難,但這其中的具體操作非常復(fù)雜,尤其是環(huán)境因素不易控制,我只能努力鉆研和探索,想想我該怎么做才能讓它們?cè)絹?lái)越接近真實(shí)的人體器官,而不是一味求助導(dǎo)師?!?/p>

      具備了初步解決專業(yè)問(wèn)題的能力后,學(xué)院鼓勵(lì)學(xué)生在學(xué)科的前沿研究中發(fā)揮作用。如今已成為教授的楊芳開(kāi)展“氣泡大業(yè)”便是其中典型。她通過(guò)一種納米顆粒的聚合物微氣泡造影劑,實(shí)現(xiàn)了超聲診斷和磁共振成像雙重顯影的增強(qiáng)效果,再通過(guò)對(duì)二者圖像的聯(lián)合分析,獲取更多相關(guān)的結(jié)構(gòu)和功能信息,以達(dá)到對(duì)疾病的早期、準(zhǔn)確診斷。對(duì)于這種創(chuàng)新方法,周老師充滿贊賞:“雖然這種方法目前還未應(yīng)用于臨床,但今后可以將它用于精準(zhǔn)醫(yī)療,從新角度觀察癌癥病狀?!?/p>

      同學(xué)問(wèn)同舟共濟(jì)的合作更為啃下科研“硬骨頭”注入了強(qiáng)大動(dòng)力。在研究過(guò)程中,王鵬和霍夢(mèng)科互為對(duì)方的技術(shù)支持。王鵬主要研究精納米科技膜的電學(xué)性質(zhì)及輻射性質(zhì),而霍夢(mèng)科的任務(wù)之一就是把納米膜做成需要的形狀填充在骨頭內(nèi),通過(guò)骨修復(fù)過(guò)程中的信號(hào)變化觀察骨頭的長(zhǎng)勢(shì)。在此過(guò)程中,兩人可互助論證對(duì)方的理論正確與否,使研究一步步深入下去。

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