让会聚科研为人类健康服务

张茜/编译

让会聚科研为人类健康服务

张茜/编译

会聚技术：由斯坦福大学史蒂芬·奎科（Stephen Quake）设计的微集合装置，用于一个精子中的DNA测序

●学科会聚：集物理科学、工程学与生物医学为一体。

数十年来，科学家一直呼吁加强生命科学与物理学的融合。基于此，我们提出了创建一个新的国家研究策略——我们称之为“会聚科研”——旨在将工程学、物理学、计算科学、数理学与生物医学整合为一体。幸运的是，生物学日新月异的新发现、计算科学不断增强的实力以及工程学在生物相容性材料和纳米技术上新的关注点，使得这样一种推动医疗卫生进步的策略蕴含的潜力比以往任何时候都更加强大。在各界努力下应运而生的新技术的潜在影响力远远超过医疗保健本身：创造就业机会；加快产品向市场推进的步伐；改善从农业到环境保护、经济以及能源生产的方方面面。如果我们选择有意识地对这些新兴技术进行投资，那么这一切将构成一幅前所未有的机遇蓝图。可惜到目前为止，我们还没有这么做。我们把融合大变革的利益得失，以及我们应当做些什么来充分利用这样的变革详述于下。另外，也与来自全国各地的同行们合作形成了一份报告对此进行深度分析。

会聚科研与跨学科研究息息相关，但会聚科研远远超越了合作的概念。它将历史上各种不同学科与技术整合为统一的整体，创造了新的途径和机遇。这样的一种整合，会为生物医学科学提供潜在的革命性变化。想一想由20世纪最伟大的会聚带来的变化吧，它集物理学与工程学之大成，为我们创造了重塑世界的工具——收音机、电话、汽车、飞机、计算机、核能、卫星和互联网。如果我们对机构、院校以及独创性进行投资和调配，那么我们足以推动医疗保健转化工具和技术的另一新纪元。

然而，现如今仅有3%的会聚科研的首席科学家可以从美国国立卫生研究院（NIH）获得研究经费，这些研究来自物理学、生物物理学、数学、工程学或生物工程学，而这已是生物医学会聚研究的主要经费来源。以从事会聚科研为主的美国国家生物医学成像与生物工程研究所（NIBIB），2016年的经费预算不足3.45亿美元。在众多联邦机构中，美国国家科学基金会（NSF）是为基础工程学和物理学提供支持的主要部门，但是对这些学科与生物医学融合方面的资助微乎其微，因为NSF的医学研究比起NIH有着历史性的延迟。尽管其他联邦机构——诸如美国能源部（DOE）、美国国防部高级研究计划局（DARPA）、美国食品药品管理局（FDA）——已经开始意识到会聚科研的大好前景，但是到目前为止还未有联邦机构或办公室主要负责推动工程学、物理学以及数学科学与生物医学之间的会聚。跨学科项目获得联邦资助的重重困难成为科学进步的绊脚石。

万里之行，我们走了多远？

尽管在我们看来，会聚科研方面的投资实在微不足道，但我们仍要为可以给未来方向提供模板和测试平台的努力而喝彩。一些联邦机构已经接受了会聚科研的方案。自2002年起，NIBIB已开始颁发会聚科研相关补助金。DARPA于2014年启动生物技术办公室以驾驭“自然系统的力量”，该办公室开发出智能假肢以及相应策略与脑部疾病和传染病进行抗争。最近启动的“大脑计划”旨在彻底改变我们对人类大脑的理解，而“精准医疗计划”则是为了利用大数据在个人层面对疾病信息进行评估，这两大计划均将会聚科研的潜力融入到他们的研究模型当中。最近启动的“国家微生物组计划”也有异曲同工之妙。这些新计划都是在诸如美国科维理基金会、霍华德·休斯基金会、雷蒙德和贝弗利·赛克勒基金会、西蒙斯基金会以及宝来惠康基金会等的早期支持与鼓励下启动的。

一些学术机构在最近一段时间对会聚科研许下了令人振奋的承诺。西北大学国际纳米技术研究所集化学、生物科学以及工程学为一体，开发出了用于纳米医学和纳米肿瘤学的工具。在加利福尼亚大学，加利福尼亚定量生物学研究所综合运用物理学、化学以及计算机科学来应对分子生物学的挑战。哈佛大学威斯生物工程研究所将学科与机构相交叉，开发出创新性工程学解决方案、商业产品和多种领域的治疗方法。在麻省理工学院，大卫·科赫综合癌症研究所召集工程师、生物学家以及临床肿瘤学家开拓新的思路、创造新的工具更好地应用于癌症诊断、治疗与预防。

这些项目——连同许多与他们类似的其他项目——从整体上来看并不协调、适度，但是已经有了傲人的成果。有数十家独立公司成立，其中许多家的产品已进入临床试验阶段：具有癌细胞导向性可直接递送化疗药物的纳米颗粒，能让外科医生更准确地发现并移除癌细胞的成像技术，以及其他更多的类似产品。这些努力对于培训新一代的跨学科科学家和工程师功不可没，这些跨学科科学家和工程师将会谙熟一系列学科领域，以便能够充分把握机遇。

众多商家也纷纷转战该领域。Verily公司（谷歌前生命科学部门）将基因组学与高通量高分辨率成像技术相结合，开发出基于生物学、遗传学、行为学和环境学数据的个体化治疗方案。像苹果、IBM以及微软这类公司已进行投资并带来了市场创新，使得个人和机构能够对个体健康、体能和疾病进行追踪和监控。

如何才能立足长远？

尽管已有了进步的信号，但是人们仍然有理由去忧虑，我们仍需吸取经验教训。新报告为改善和加速会聚科研的进程提出了一些建议：联邦政府应不断加大目标明确的会聚科研方面的生物医学研究项目的资金投入力度；修订格兰特拨款审查机制，纳入工程学、计算科学与物理学方面专家意见；在高等院校进行学术结构调整，促进生物学家、临床医生、数学家、物理学家、工程师以及计算机科学家在研究和教育上的合作。NIH将起到主导作用：它应积极发展会聚科研-技术策略，招募数学家、工程师、物理学家和计算机科学家，将他们的专业知识应用到生物医学领域的挑战中去，无论是基础研究方面还是应用研究方面。尽管许多联邦机构已经开展了涉及会聚科研的项目，但是这些努力仍应继续推广。我们被NSF新的会聚科研研究重点、其拨款审查的变更计划以及支持会聚科研的新教育模式所鼓舞。

如果我们能将跨学科、资金支持和可培养工作项目良好地结合，会聚科研就将会发生翻天覆地的变化。这份报告建议通过科学和技术政策办公室的协调，与NIH、NSF、美国国防部、FDA以及DOE合作创建一个会聚科研跨部门工作小组。此外，仍有待开发一项通过纳米技术与植物基因组计划相融合的模式来推进生物医学科学发展的特殊战略计划。NIH的共同基金机制应该支持多机构和中心的会聚科研。联邦机构应当考虑开展更多的会聚科研培训并将其规模扩大化。生物医学与医疗卫生保健通过会聚科研进行转化取决于面对变化时的开放态度以及合作的意愿。这显然是新兴事物，仍需进一步强化。

[资料来源：Science][责任编辑：彦隐]

本文作者：菲利普·夏普（Phillip Sharp），诺奖得主、MIT教授；泰勒·杰克斯（Tyler Jacks），MIT肿瘤研究中心主任；苏珊·霍克菲尔德（Susan Hockfield），神经科学家、MIT校长。