未来医疗技术

时间：2023-03-12 理论教育版权反馈

【摘要】：未来，医生们可以使用这些工具对病人进行监测，并根据每个病人特有的生理条件，预测他们对于治疗的反应，而不是像现在这样，根据临床实验中一群病人的反应来推测治疗效果。这些技术并不是每一个都能成功，但总体来说，它们表明医疗技术的小型化不仅在疾病治疗，而且在疾病预防上都将扮演更重要的角色。在奎克的家族史中，有几例心脏病患者。

翻译李升伟

过去几年中，科学家受益于生物学、电子技术和人类遗传学领域空前的发展，研发出一系列新设备，用以保护和改善人类健康。先进的医疗技术和复杂的数据分析手段，正在打破这些领域的传统局限，从医院和计算机实验室走进人们的日常生活。

未来，医生们可以使用这些工具对病人进行监测，并根据每个病人特有的生理条件，预测他们对于治疗的反应，而不是像现在这样，根据临床实验中一群病人的反应来推测治疗效果。计算机芯片的微型化、生物工程和材料科学的最新进展，为研发新仪器打下了基础，这些仪器可以替代一些复杂器官，比如眼睛、胰腺，或者帮助它们更好地发挥功能。

接下来的几篇短文，简要介绍了几项最有前景的新技术，涵盖个人化基因测序、人工视力、癌症、植入式健康监测仪、精神病等领域。这些技术并不是每一个都能成功，但总体来说，它们表明医疗技术的小型化不仅在疾病治疗，而且在疾病预防上都将扮演更重要的角色。

人类基因组测序的成本一直在下降，但是，读懂测序结果仍然是一个挑战。

撰文南希·舒特（Nancy Shute）

25年前，当人类基因组计划刚启动时，人们认为这项解读“人体构成说明书”的工程，要数百台测序仪、耗资30亿美元和15年的时间才能完成。2003年，第一套人类基因组序列的测序工作顺利完成，但这项重大科学成果还只是一套粗略的草图，其中还有巨大的空白需要填补。

时间飞逝，2012年1月，美国拉斯韦加斯消费电子产品展，在琳琅满目的赌博机和平板电视之中，最吸引人眼球的是一款基因测序仪Ion Proton，这台白色的电器跟打印机大小相仿。它的发明者称，这款测序仪将于今年推向市场，它能在几小时之内，以1 000美元的价格完成一个人的全基因组测序，而1000美元只相当于一台不错的等离子电视的价格。

人们一直都把1000美元的基因测序作为一个转折点，认为它预示着个性化医疗时代的来临。基因测序的成本降到了这样的程度，医生就可以根据患者特有的遗传特征和药物敏感性来治疗心脏病、癌症和其他疾病。随着这样的基因测序仪走向市场，行业观察家们预测，对普通人进行综合遗传检测的时代已经来临。

但是，也有一些人认为，这项技术还不成熟，不适合广泛应用。美国约翰斯·霍普金斯大学医学中心的遗传学教授阿拉文达·查克拉瓦提（Aravinda Chakravarti）担心，个体化基因组医学的好处被夸大了。而且，人们没有意识到，目前不论是通过医生，还是在网上购买的全基因组测序结果都没有实际的医学价值。

主要问题是，这项技术发展得太快，研究人员对测序结果的解读能力没有跟上。例如，每个人的基因测序结果都必须与大量的其他人的测序结果进行比较，这样医生才能知道哪些是重要的疾病指标，哪些则可以忽视。另外，许多疾病是由一些罕见突变造成的，而科学家还没有鉴别出这些突变。最后，即使只是对一次基因组测序的结果进行简单分析，也是一件让人头疼的事情。美国斯坦福大学医学院的心脏病学副教授欧安·A·阿什利（Euan A. Ashley）说：“现在，基因测序已经是既快速又便宜。但是，分析数据却让人头疼，既不快速，也不便宜。”

为了说明这个过程会有多么复杂，阿什利和斯坦福大学、哈佛大学的几位研究人员分析了他们一位同事、生物工程学教授斯蒂芬·奎克（Stephen Quake）的基因组序列。即使奎克早已测出了自己的基因组序列，有了原始数据，几位科学家也花费了整整6个月时间来思考，这项工作应该如何进行。

在奎克的家族史中，有几例心脏病患者。果然，研究小组发现，他拥有几个基因突变，都与心脏病的发作风险有关。这次分析还有一些意外发现，比如研究人员发现，奎克患上一种名为血色素沉着症（hemochromatosis）的遗传性血液疾病的风险有所增高，但奎克的家族中，还没有人得过这种病。目前还不能确定的是，这个意外发现确实是患病风险升高的反映，还是测序过程出了错。

尽管有这些问题，阿什利还是乐观地认为，把个体化的DNA测序结果应用于临床是可能的。他认为总有一天，个人的基因组序列将成为电子病历上的常规内容。但到目前为止，受益于全基因测序的那一小部分病人，大多具有罕见而明显的基因突变。这对于我们其他人有什么样的意义呢？我们拭目以待。

人造感光器将让盲人们恢复视力。

撰文费里斯·贾巴尔（Ferris Jabr）

米卡·特霍（Miikka Terho）知道苹果和香蕉的区别。他可以告诉你苹果是圆的，吃在嘴里是甜的，咬起来很脆，而香蕉则长而弯曲，如果放的时间太长会变软。但是，如果要他不摸、不闻，也不品尝，就说出两种水果的区别，他就没有办法了。特霍是个完全失明的盲人。但是，在2008年的三个月里，他恢复了用视觉来区分苹果和香蕉的能力，这归功于研究人员植入到他左眼里的一个微芯片。尽管试用的时间很短暂，但这项新技术的初步成功，却永久地改变了特霍和其他很多盲人的境况。

特霍在芬兰一家体育奖学金组织工作，他患有色素性视网膜炎，这种遗传病破坏了视网膜上的感光细胞。16岁以前，他的视力还是正常的，但从那时起，他的夜间视力就开始衰退。20多岁时，他的日间视力也开始衰退。35岁时，特霍的左右眼都失去了中央视力（由视网膜中央的视锥细胞实现的视觉功能，负责精细的视觉）。40岁时，他只能用外围视力（由视网膜上的视杆细胞实现的视觉功能，负责感受光线强弱）感觉光线。

2008年11月，一切都发生了改变。德国图宾根大学的埃伯哈特·泽雷纳（Eberhart Zrenner）将一块芯片植入特霍的视网膜。这块芯片替代了视网膜损坏的感光细胞（即视杆细胞和视锥细胞）。在健康的视网膜中，感光细胞将光转化为电脉冲，后者穿过几层特化的组织，其中一层由双极细胞组成，最后到达大脑。芯片上有1500个小方块，它们排列在一个约1平方厘米的网格上，每个小方块都含有一个光电二极管、放大器和电极。当光线照在一个光电二极管上时，就会产生微弱的电流，经过放大器增强后，传送到电极上，刺激附近的双极细胞产生信号，通过视神经传送到大脑。照射在光电二极管上的光线越多，产生的电流就越强。

植入视网膜的芯片为特霍打开了一扇面向世界的窗户，可以看见约1米外一张A4打印纸大小的范围。通过这扇窗户，特霍可以分辨出人和物体的基本外形和轮廓，尤其是在明暗反差强烈的时候。但是，植入芯片并没有足够的电极来产生清晰的图像。另外，通过芯片，他眼里只有灰色的东西，感觉不到色彩，因为芯片还不能区分不同光线的波长。

尽管有这些局限，在接受手术后的几天内，植入芯片还是戏剧性地改变了特霍与这个世界互动的方式。他10年来第一次能够看见和辨认一些物体，比如餐具和水果，读出大字体印刷的字母，向房间里的人打招呼，认出自己的亲人。另外两位大约在同一时间内接受芯片移植的患者，可以在阴暗的背景中找到明亮的物体。

3个月后，泽雷纳不得不取出了芯片，因为移植芯片后，患者很容易受到皮肤感染：患者体外挂着一个袖珍的电池组，通过一条穿透皮肤的电线，向眼睛里的芯片输送电能，这会在皮肤上留下开放的创口。此外，使用者必须要在计算机旁边，让计算机通过无线信号控制电脉冲的频率，还有视野的亮度和对比度。

2008年以来，泽雷纳已经使植入芯片变得更安全和轻便。最新的芯片是无线的，到目前为止已经移植到了10个人的眼睛内。这种芯片有两个电磁线圈，一个埋藏在患者耳后的皮肤下，并伸出一根细细的电线，与视网膜上的芯片连接。另外一个电磁线圈放在一个小型塑料盒里，位于皮肤表面，靠近耳朵的地方。这样，两个线圈形成了一个完整的电路，向植入的芯片供电。通过旋转外部线圈上的按钮，病人可以调节视野的亮度和对比度。为了进一步改善技术，泽雷纳希望在一个视网膜上并排植入3个芯片，使病人有更大的视野。

尽管对于由感光细胞受损引起的失明患者（比如色素性视网膜炎、无脉络膜、黄斑变性等），人工感光器有所帮助，但对青光眼或者其他与视神经退化有关的病变则力有不逮。

另一个研究小组也在临床研究阶段初步取得了成功：美国加利福尼亚州第二视力（Second Sight）公司开发的视网膜植入设备Argus II也能治疗色素性视网膜炎，尽管使用的是不同的技术手段。Argus II并没有植入病人的视网膜内，而是通过安装在眼镜上的微型相机来捕捉图像，并将这些图像转换成电脉冲，传递给植入到视网膜表面的电极。与泽雷纳的植入芯片不同的是，Argus II并不能在视网膜上模拟由光波引起的生理反应，而是产生一幅由亮点和暗点拼成的图片，患者需要经过训练才会解读这些图片。

即使只是恢复灰度视力，也花费不菲。目前，一旦通过了完整的测试并获得审批，Argus II的安装费将会达到每只眼睛10万美元，而泽雷纳的视网膜植入芯片的价格也不会低于这个数。泽雷纳还必须进行额外的临床实验，才能让欧洲咨询委员会允许眼科医生使用这种芯片。Argus II已经获得了审批，可以在欧洲大部分地区进行销售，但在美国和其他国家还没有上市。不过，临床实验的初步成功和这项技术的改进速度表明，视网膜植入设备在不久之后将得到更广泛的运用。

新的无线监测设备既可以警告病人心脏病即将发作，也可以帮助他们控制糖尿病。

撰文凯瑟琳·哈蒙（Katherine Harmon）

生物医学工程师正在研发小型的、可植入的监测设备，以便为医生提供更多的信息，帮助他们决定怎样才能给心脏病、糖尿病等慢性病患者提供最好的治疗。几种这样的设备正在接受临床实验的考验，它们可以从人体关键部位或血液中，以无线方式向体外接收设备发送数据。未来，一些植入性监测设备可以发挥更重要的作用，不仅是检测心律不齐等危险疾病，还可以让病人恢复心跳。现在，科学家正在开发的两种这类设备，是针对两种最常见的疾病：

心脏病发作。美国天使医疗系统公司（Angel Medical Systems）制造的“天使医疗卫士”（Angel Med Guardian）监护设备，大概有心脏起搏器那么大，可以监测心跳。对那些不久前发作过心脏病，但不需要植入起搏器或者除颤器（cardiac defibrillator）的患者，该设备可以监测异常心跳，比如骤然加速或不规律跳动。如果仪器探测到心脏病即将发作，它会震动，外接的寻呼机随之会发出声音，并开始闪光，提醒病人寻求帮助。为了防止发出错误警报，该设备会在一分钟内持续检测到危险信号后，才会发出警报。医生可以把这些信号和设备收集到的其他关于心脏的信息，无线下载到一台电脑上进行分析。天使医疗公司已经授权一家生产植入性除颤器的公司使用这项心跳监测技术。和除颤器结合后，该设备就可以在监测到心跳停止或心律不齐时，对心脏进行电击，同时向医生输送心电图。

异常的葡萄糖水平。美国GlySens公司研制的一种植入式新型葡萄糖传感器，可向数百万糖尿病患者提供无线检测系统。这种设备可以持续监测患者的皮下葡萄糖水平，而监测结果可以反映血糖浓度。因此，相比指尖采血的监测方式，该设备得到更精确、更完整的信息，用以指导胰岛素的注射剂量和时间。并且，由于这种传感器是植入的，也不需要像对待目前常用的体外监测设备一样，时时去维护。

“我们希望给病人及其家庭提供一种设备，让他们感觉不到设备的存在，但照样可以得到疾病信息，”GlySens公司CEO、生物工程学家约瑟夫·卢西萨诺（Joseph Lucisano）说，“对于治疗糖尿病之类的慢性病，我们要做的无非就是监测、分析监测结果、优化治疗方案。”所以，通过一种无线连接，“以最低的成本输出大量数据，将让很多我们甚至无法想象的事情成为可能”。

未来，无线传感器可能会更加精密。研究人员已经发明了一种轻薄而柔韧的设备，可以像假纹身一样贴在皮肤上或植入体内，收集心率、肌肉收缩乃至脑电波的数据。这种设备由专门开发柔韧电子设备的美国mc10公司研制，这些富有未来感的设备，今后将实现真正意义上的便携——带有内置电源和无线信号发射器。如果内脏器官的无线监测设备与具有柔韧性、形状可变的设备相结合，医生和病人就能实时获得多种疑难病症的信息，而这一目标是很可能实现的。

生物工程师正在开发微小的纳米颗粒，用来检测早期癌症。

撰文凯瑟琳·哈蒙（Katherine Harmon）

一些微小的颗粒可能会解决医学上的一个重大问题。这些所谓的纳米颗粒，直径只有几纳米（一纳米为十亿分之一米），500个这样大小的颗粒排列在一起，才有一根头发丝那么宽。科学家正在对它们进行改造，希望能完成多种任务：将药物输送到人体的特定部位；获取更清晰的器官影像……现在，它们又多了一种用途，科学家想用这些微小颗粒来探测癌细胞，不论它们藏在哪里。

目前，只有当肿瘤大到在扫描图上看得见时，常用的成像工具才能检测到它们。而纳米颗粒，则可以在一个由1000万个正常细胞组成的样本中发现单个癌细胞。例如，实验性的纳米医学乳腺癌检测，能够发现比乳房X射线所能发现的小100倍的肿瘤。在包裹上肿瘤细胞特有的蛋白质或遗传物质后，纳米颗粒还可以帮助医生区分肿瘤是在恶性生长，还是进行性炎症，或是良性病灶。

美国华盛顿大学圣路易斯分校的生物医学工程教授格里高利·兰萨（Gregory Lanza）和同事正在研制一种纳米颗粒，能够追踪并标记新形成的、专为肿瘤供血的血管，而这类血管的产生，是结肠癌、乳腺癌和其他癌症发生过程中的关键步骤。在非肿瘤的组织中，通常不会有这样的血管。理论上，通过这项技术，医生还可以知晓癌症生长的速度，应该采取怎样的治疗措施。

美国斯坦福大学的诊断放射学教授桑吉夫·萨姆·甘姆希尔（Sanjiv Sam Gambhir）和同事正在研究大肠癌，希望能发现常规结肠镜检查发现不了的轻微恶性病变。研究小组用金和硅制成纳米颗粒，然后添加上一些分子，用来引导纳米颗粒，让它们附着在特定癌细胞上。当附着到结肠或直肠中的肿瘤上时，用一种特殊的内窥镜照射,纳米颗粒就会散射其所发出的光，显示癌细胞的存在。

科学家还想制造一些特殊的纳米颗粒来执行多重任务，比如能在磁共振成像、正电子发射断层扫描等检测过程中显示肿瘤，乃至输送药物。有了兼具这两种功能的纳米颗粒，医生就可以确认，药物是不是到达了应该到达的位置，效果怎样。尽管目前的靶向疗法可以针对性地作用于癌细胞，不影响正常细胞，但医生并不确定有多少药物能抵达肿瘤部位。兰萨说：“结合了成像技术，你就能知道到底有多少药物真正抵达肿瘤位置了。”

纳米颗粒的临床之路还面临着一些障碍。例如，科学家还必须证明，纳米颗粒在人体中使用是安全的。甘姆希尔认为，对于癌症治疗来说，目前“最大的障碍”是没有找到合适的作用目标。纳米颗粒可以设计得非常精良，但它们“并没有那么神奇”，他提醒说。对于癌症初期的生理变化，科学家还没有足够的了解，所以不知道应该瞄准癌细胞上的哪种分子。兰萨说，由于不知道作用目标，“我们甚至无法走出第一步，而我们必须学会走路，然后才能跑”。但是，根据一些产业分析师的分析，到2016年，纳米医学在全球的市场价值最高将达到1 300亿美元，因此寻找合适“靶标”的竞赛已经开始了。

MRI和PET被融合到一台设备中，不仅可以同时采集患者的两种影像信息，也大大节省了医疗费用。多种医疗设备的融合正在成为未来的趋势。

撰文周林文

选择PET（正电子发射计算机断层扫描）还是MRI（磁共振成像）？MRI可以提供清晰的图像，让医生对人体器官的结构和功能有细致的了解；而PET则可以提供更深入的、关于人体细胞代谢的信息。这两类信息在临床诊断上都必不可少，所以医生们经常会面临这样的抉择，而结果往往是病人必须先后进行两种影像学检查，支付不菲的医疗费用。而西门子公司的Biograph mMR（“m”代表分子级别）将这两种技术巧妙地结合在一起。Biograph mMR是一个磁场强度为3特斯拉的混合系统。

“融合这两项技术的想法由来已久。”西门子医疗医学影像与治疗集团首席执行官本德·蒙塔格（Bernd Montag）博士说，“MRI和PET真正融合在一起，实现同步采集数据，这还是第一次，这样不仅能改进很多疾病的诊断方式，尤其是神经疾病、肿瘤、心脏病，还有助于医生制定适当的治疗计划”。初步研究表明，能够同步采集MRI和PET数据的Biograph mMR将两次检查合二为一之后，扫描全身只需要短短的30分钟，而顺次进行MRI和PET检查需要一个小时以上的时间。因此，用一台系统取代两台系统后，可以加速工作流程，降低成本。“关于诊断质量，我们已经从临床获得了令人鼓舞的反馈信息。” 蒙塔格说。

在此之前，将MR I和PET技术融合在一起几乎是不可能的，因为采用光电倍增管的传统PET探测器，无法在MRI系统产生的强磁场中使用。此外，MRI设备里空间狭小，也限制了它们的融合。西门子医疗磁共振业务部负责人沃尔特·马尔岑曾多弗（Walter M?rzendorfer）说：“两种大型仪器的结合涉及各种技术问题，我们必须克服技术障碍。”为了解决这些问题，西门子组建了一个全球性的合作网络，囊括了德国图宾根大学医院、尤里希研究中心、美国埃默里大学等机构的科学家共同展开研究。

他们采取的一条重要途径是对现有PET进行重大改进。PET扫描时，患者体内会生成伽马量子。这些量子导致位于PET探测器前部的闪烁晶体释放光子。过去，一般使用光电倍增管（长度为几厘米的电子管）增强这些光子信号，然后对其进行测量。但MRI系统的强磁场会使光电倍增管产生的电子流转向，从而无法获得任何明确的信号。这是阻碍两种技术结合的最大障碍。

“Biograph mMR使用雪崩光电二极管（APD）取代光电倍增管，APD的体积比电子管小得多，”西门子医疗PET探测器研发项目负责人马蒂亚斯·施曼特（Matthias Schmand）解释说。虽然APD也是测量光子造成的电子流，但这是在半导体内进行的，不需要对外部磁场作出敏感的反应。“此外，APD还克服了第二个障碍：它十分小巧，这也大大缩小了PET探测器的体积。”施曼特说。这个缩小的PET叫mMR PET，其中包含内置的冷却体系，保证PET设备的平稳运行。同时，mMR PET还具备专门的屏蔽系统，来消除磁场对于PET数据采集链的干扰。研发人员把这个小巧的PET探测器置于MRI内部后，二者就不再相互影响了。

这些设计上的创新，让Biography mMR真正实现了MRI和PET数据的同步采集，使这两种数据在空间和时间上保持精确的一致性，并减少了扫描过程中由于患者移动躯体而造成的干扰信号。

现在，医疗仪器的小型化和多功能化已经成为一个趋势。“我认为在未来的医疗成像领域，不同技术的融合会非常盛行，尤其是为了在一次检查中同时获得有关身体结构和功能的信息，这会大大降低临床工作流程的复杂度。”蒙塔格说。

对血液中特定蛋白质的含量进行检测，将为诊断精神分裂症和抑郁症提供一种新方法。

撰文费里斯·贾巴尔（Ferris Jabr）

精神病学家萨宾·巴恩（Sabine Bahn）希望改变精神科医生诊断严重精神疾病的方法。过去15年，她一直在研究精神分裂症和双相情感障碍患者（bipolar disorder，他们的情绪在躁狂和抑郁之间波动）的血液和大脑，寻找一种标志性蛋白，然后根据这些蛋白的含量，弄清楚一个人患上述病症的风险。这些蛋白叫做生物标记，而根据生物标记来鉴定精神疾病，要比常规方法（主要根据病人的异常行为来进行诊断）客观得多。

尽管生物标记已经改善了许多疾病的诊断方法，包括对糖尿病和心脏病的诊断，但到目前为止，还没有证据表明，生物标记对精神疾病的诊断也有帮助。尽管如此，作为英国剑桥大学一个实验室的负责人，巴恩和其他神经科学家还是确信，生物标记将很快成为精神病学中必不可少的诊断工具。现在有两种血液检测技术已经上市，其中之一就是以巴恩的研究为基础。

从1997年开始，巴恩就从死去的精神分裂症患者的大脑中搜集脑组织。她从样品中发现了至少50种蛋白质的含量高于或低于健康人。其中，19种蛋白质与线粒体的功能相关，而线粒体是细胞中的“能量工厂”。巴恩还发现一些迹象表明，精神分裂症患者的神经元不能有效利用葡萄糖，而是依靠另外一种分子——乳酸作为能量来源。

2006年，在活着的精神分裂症患者的脑脊液和血液中，巴恩发现了相似的生物化学差异。在最近发表的两篇论文中，通过检测51种蛋白质和其他化合物在血液中的浓度，她能以80%的准确率区分精神分裂症患者和健康人。生物标记中包括应激激素皮质醇（cortisol）和一种称为脑源性神经营养因子（BDNF）的蛋白质，它可以促进新神经元的生长，并且在现有神经元之间建立新的连接。

在巴恩研究的基础上，美国巨量RBM公司（Myriad RBM）的实验室开发了一种名为VeriPsych的精神分裂症血液检测设备，价格是2 500美元，可对巴恩发现的51种标志性蛋白质进行检测。尽管这种设备还没有得到美国食品及药品管理局的审批，精神科医生已经将其作为一种参考（只在实验室中进行的检测不需要通过FDA的审批，但用于人体的时候，需要满足严格的标准）。

美国Ridge诊断公司也开发出了一种诊断抑郁症的生物标记检测设备，并通过北卡罗来纳州的一个实验室以745美元的价格出售。这种设备名为MDDScore（MDD代表“重度抑郁症”），可对血液中的10种生物标记进行检测，包括BDNF和皮质醇。

目前，除了企业自己资助的小规模研究之外，上述这些血液检测设备还没有通过临床实验进行验证。尽管如此，一些精神科医生还是认可这些设备在鉴别精神分裂症与药源性精神错乱的效果，他们同时还认为，这些设备也能让抑郁症患者接受自己患病且需要治疗的事实。