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于军:精准医学与前沿技术的汇聚
时间:2016-09-26

精准医学是一个承前启后、继往开来的大项目,在首届精准医疗高峰论坛上,科技部重大科学计划转录组研究首席科学家于军回顾了人类基因组计划的历史进程,为我们解读了精准医学的技术需求。

精准医学实际上是一个承前启后的、继往开来的大项目。最早应该追溯到NH基因组研究所建的一个路线图,这个路线图从研究基因组的结构到现在测每个人的基因组,下一步要做疾病的生物学、医学和健康保障的工作,所以就起名字叫精准医学。

人类基因组计划的工作回顾

我们回顾一下人类基因组计划所做的工作,整个过程经历了30多年的过程。它实际上是一个我们叫做四位一体的研究项目,包括一个学科的建设,这个学科从80年代到现在建立了一个基因组学和生物研究所。还有一个项目是人类基因组计划,和现在做的精准医学的项目一样,要有一个很强的报告,介绍未来的十年二十年做什么,同时还有一个基础的突破,技术突破大家也都知道,有很多的DNA测序和各种各样的应用。

2011年精准医学的报告出台,详细介绍了它的基本思想,即把临床医学研究和基础研究整合在一起。它的整合过程是建一个叫做INFORMATION COMMONS数据库来搜集数据。通过对组学数据的理解,实现从数据到知识的转化,然后再反馈给研究和临床医学,最后再重新把数据搜集回来。这样就完成了两个不同循环的过程。

这个项目是一个四位一体的项目,它的目标很明确:

1.学科与基础设施建设:精准医学;医学转化研究所与中心

2.科学项目:百(十)万人测序计划

3.技术突破:单核苷酸、单细胞、单分子分辨率技术

4.新兴业态: 精准诊断、治疗和健康管理

同时我们可以从科研和医学部分方面把数据汇集到一起,我们把它叫做大数据。大数据的探讨至少有15年的历史,虽然当时没有精确到现在精准医学的数据,但是包罗了非常多的领域。计算机科学的发展让大家充分的认识到有数据才是硬道理。

未来生物医学的“精准化革命”

就生物学来讲,我们现在所实现的精准只是在DNA水平上,缺乏能直接测试RNA序列的设备,因此只能通过间接的方法,先把RNA变成DNA从而得到序列。另外在生物学得到大量数据的时候需要用新的思维、新的理论、新的方法来研究生物学。精准医学有路线图能引导我们进入精准化的革命。所谓的革命即不仅在医学,同时在医疗、健康,包括生活都要实现所谓的精准,而这其中最关键的就是技术。

DNA测序至今已有半个多世纪的历史,但在过去60年里真正留下来的东西实际上并不多。PCR还在直线上升,而现在单分子时代第一个口号就是消灭PCR,因此我们不需要扩增。我们留下了合成探针、PCR技术和DNA杂交,而DNA杂交本身不是技术而是DNA本身的性质。

现在已经有企业在用零模波导的技术,只要控制系统就可逐个观看酶在合成DNA的过程。在

纳米水平上控制对酶合成的速度观察是毫无疑问的。

另外,NANOPOR公司也做成一个测序仪——用蛋白质做了一个纳米孔,DNA钻过来测电流就可以测序列。我在做的纳米孔仪器没有用蛋白质,而是在一个氮化硅薄片上打小孔,上面再放一层更薄的石墨硒,当核苷酸钻过洞就可以通过测量电流测它的序列,这是未来我们要采用的技术。

总结一下我们在各代测序仪所用的技术,第一代到第四代,生物化学的技术会逐渐被放弃。第四代的技术都在其它领域里,比如纳米科技的最高端的技术有微流控、微纳加工,半导体和计算机最关键的部件都是在很小的空间里加工的。当然在量子水平上更高一等,目前所有的计算机的每个计算单元的尺度就在十几个纳米这个水平上,我们做测序仪也是在一个纳米水平里。精准医学把我们领进一个更复杂的世界,过去遗传学研究主要研究罕见疾病,换句话说DNA的变化会导致疾病,我们可以找到一个简单的逻辑,找到一个变异可以找到疾病的根源。

我们现在面临非常复杂的疾病,比如肥胖、糖尿病,这些跟我们的饮食、菌群有关,所以肠道菌群被列为第13个生理系统。还有更复杂是我们体内血液里面流淌的物质,它的复杂性在于它的最高浓度在M水平,最低程度在P,这个之间差了百万倍。将来不管是医学、健康还是生活,我们的设备必须能够非常精准的测量血液里面物质的变化,才能实现所谓的精准医学。

人的身体一直在不断的变化。例如激素,我们常通过测定性激素水平来了解女性内分泌功能和诊断与内分泌失调相关的疾病。女性的激素随着年龄有不同的变化。眼睛能看到的最有规律变化的阶段是生殖的阶段,所以我们目前面对的是一个尺度的革命,所谓精准就是一定要在非常精确的尺度上,要量出细胞中所有东西的大致变化,同时这个变化本身对科学而言也是很多新的命题。但目前还没有真正能够测量每个细胞里面的变化。

单分子的研究在过去几年非常热门,它的相关领域一个是图像处理,一个是质谱,它的相关领域和所有的关联域都在增长。

这是SCA几千篇文章的统计,可以看到增长最快的就是流式细胞仪。它可以把细胞单独挑出来,但是缺乏挑出来研究的技术,这也是为什么下一代的仪器设备以单细胞作为出发点来研究它里面的基因和物质的变化。细胞里面的物质我们可以通过物理的手段来衡量他们之间的力。目前所谓的生物物理没有进入我们能够应用的阶段,无论是最小的键化学氢键,还是最大的抗原抗体,非共价的才100个pN,所以显然不是化学问题。但如果在物理问题上我们度量到变化达到20倍,实际上我们想要真正度量的是物理学参数的变化过程。

从物理和化学结合的角度来看,才是我们对未来的解,这个解需要有设备来得到看得见、摸得着的结果,这是未来我认为精准医学要发展的非常重要的环节。

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