利用AI、表观遗传学和生物工程开创下一代医疗保健

人工智能机器人

译者 | 刘涛
审校 | 重楼
生物工程正矗立于变革时代的风口浪尖，通过生物学、工程学与先进技术的深度融合，它预示着一场有可能重塑人类生存结构的革命。这绝非夸大其词，而是基于再生医学、合成生物学、基因编辑及生物电子学等领域的飞速发展。这些领域的进步，已远非传统的渐进式改良，而是颠覆了我们对生物学认知的范式变革。为了全面理解这一变革的广度和深度，我们亟需深入探究这些创新技术的复杂运作机制，并审慎评估它们对社会所带来的深远影响。

目录

• 生物工程概览
  
• 再生医学
  
• 基因编辑
  
• 个性化医疗
  
• 生物电子医学
  
• 合成生物学
  
• 环境生物工程
  
• 衰老与长寿
  
• 生物工程中的伦理挑战
  
• 如何开始从事生物工程
  
• 结论：生物工程的负责任管理
  

生物工程概述

生物工程以运用生物学原理解决复杂问题为核心，从全新设计器官、基因编辑治病到改造微生物清污，尽显创造力与精确度的融合。它依赖计算机科学、材料科学、伦理学等多领域的跨学科合作。
生物工程极具潜力，最引人注目的是可能彻底变革医疗保健。比如定制生物打印器官让器官短缺成为历史，通过精准基因编辑根除囊性纤维化、镰状细胞贫血等疾病，对人类健康影响深远，将从根本上改变医学模式。另外，用于医疗的生物系统操纵原理也能用于农业和环境可持续性领域。
人工智能与生物工程相结合，在拓展生物工程潜力的同时带来新的复杂性。人工智能驱动的工具能分析海量数据集，识别模式并做出人类难以企及的预测，这在个性化医疗中极为宝贵，可让治疗以前所未有的精度依个人基因构成定制，但也引发数据隐私及人工智能道德使用的担忧。
此外，生物工程令人兴奋之处还在于能突破人类界限，如脑机接口助力瘫痪者恢复行动能力或增强认知功能，随着技术日益复杂，可能模糊生物学与技术的界限，为人类增强带来新可能，不过这一前景虽振奋人心，其社会影响也需审慎考量。
再生医学

再生医学作为生物工程中极具变革潜力的领域，有望解决器官短缺、组织损伤和慢性病等紧迫医学难题。其核心技术 3D 生物打印，利用生物墨水构建组织和器官，实现工程生命与人体的无缝融合。此外，干细胞研究、组织工程的进展推动个性化医疗发展，多种技术融合助力功能性和可持续再生疗法的实现。
3D 生物打印若广泛应用，将改变器官移植现状，提高医疗能力与公平性。而类器官的开发为药物测试、疾病研究及个性化药物提供平台，能加快医学发现与治疗干预。同时，再生医学为慢性病治疗提供创新方案，从根本上解决疾病问题，提高患者生活质量。
不过，再生医学迈向广泛应用面临诸多挑战。实现生物打印大规模生产需技术与工艺进步；解决伦理问题确保公平分配；完善监管框架保障安全有效与道德合规；纳入现有医疗体系需专业人员培训与新基础设施建设。应对这些挑战对释放再生医学全部潜力至关重要。
基因编辑

基因编辑技术（如 CRISPR-Cas9）开启精准操控生命的新时代。其功能强大，能在 DNA 水平定向修改，潜力不仅体现在治疗遗传疾病，还涉及人类特征增强、农业改良、环境保护等多领域，实现诸多科幻设想。但深度控制遗传密码带来复杂的伦理和社会影响，需谨慎应对。
基因驱动是重大突破，在受控环境下，有望通过改变蚊子种群根除疟疾等病媒传播疾病，合理实施可挽救生命且提供自维持方案。不过，部署时要防范意外生态后果，多方合作平衡防控与生态保护至关重要。同时，基因编辑推动合成生物学发展，二者结合增强创新力，有望变革行业、改善环境。
此外，基因编辑引发深刻伦理问题，需有力监管。表观遗传编辑技术或有进展，能调控基因表达，为疾病治疗和个性化医学带来新契机。
个性化医疗

基因组学、蛋白质组学与人工智能的融合推动医学迈向个性化。个性化医疗依据个体基因和生活方式定制干预措施，通过分析大量数据识别生物标志物与遗传变异，提升医疗准确性与有效性，有望变革医疗服务。
在肿瘤学领域，靶向癌症治疗通过测序肿瘤基因组选择针对性疗法，提高疗效并减少副作用。药物基因组学研究遗传对药物代谢的影响，助力开出更适配的药物和剂量。可穿戴生物传感器实现实时健康监测，借助人工智能预测疾病风险，推动医疗从反应向预防转变。
然而，实现个性化医疗技术公平普及面临挑战，社会经济等因素可能加剧医疗不平等。为此，需通过政策保障各人群可及、可负担，包括投资基建、培训人员、完善监管，以促进公平有效的医疗体系。
生物电子医学

生物电子医学处于生物学与电子学结合前沿，通过与神经系统接口的设备，利用神经通信途径调节神经活动，实现实时监控与干预，为慢性病治疗和提升人类能力带来新维度，有望变革医疗保健。
其突破性应用包括神经假肢和脑机接口，能帮瘫痪者恢复功能，未来或实现人类与外部设备更无缝集成。还可通过神经刺激治疗癫痫、抑郁症等疾病，为患者提供无药物副作用的替代方案，且能动态调整治疗参数。
展望未来，植入式生物电子系统有望实时监测健康、自主干预紧急情况，降低死亡率。同时，设备小型化和生物相容性的进步，将带来更智能、舒适且侵入性小的医疗保健方案。
合成生物学

合成生物学作为前沿领域，通过全新设计生物系统或重编现有系统，将生物工程推向新高度。它巧妙融合生物学、工程学、计算机科学与化学原理，打破学科界限，创造出能执行独特任务的生物体，为解决人类面临的复杂难题提供创新思路，在多个领域展现出巨大潜力。
在可持续制造领域，合成生物学利用工程微生物，将农业废物等可再生资源转化为生物燃料与可生物降解塑料；在制药行业中，经改良的酵母菌株可合成药物。这种方式简化了传统制药的复杂流程，降低成本，提高药物生产的可扩展性与灵活性，使偏远地区也能便捷获取救命药物，增强全球医疗体系应对危机的能力。
生物计算是合成生物学的前瞻性探索，利用活细胞执行计算任务，凭借 DNA 的高密度与高效率，为数据存储和处理带来变革性可能，有望在多领域实现技术突破。
环境生物工程

环境生物工程运用生物领域工具，为环境危机提供创新且可持续的解决方案。随着环境问题日益严峻，其在环保与可持续发展中的作用愈发关键，是守护地球的综合举措。
在碳捕获方面，转基因藻类光合效率提升，能高效捕获工业排放的二氧化碳并转化为生物质，加工成有价值产品，兼具碳封存与生物燃料生产优势，可扩展性强，助力环境与能源双安全。环境生物工程材料设计为自然降解，能解决塑料污染问题，使用时保持性能，废弃后无害分解，推动循环经济发展。
农业领域，环境生物工程作物抗极端天气，保障气候不稳定时的粮食产量，减少资源密集型干预，还能高效利用养分，降低农业对环境的影响，提升农业系统适应性与可持续性，应对人口增长与环境保护的双重挑战。
衰老与长寿

生物工程进步为“长寿科学”带来诱人前景，旨在通过多学科方法，瞄准衰老及相关疾病机制，减缓甚至逆转衰老，提升个人寿命与生活质量，这对个人和社会都影响深远。
在延缓衰老方面，针对细胞衰老，研究人员通过去除或逆转衰老细胞影响，减少慢性炎症和组织损伤，临床前研究已展现希望，有望成为抗衰老医学基石。增强 DNA 修复机制，借助基因疗法等技术，提高修复效率，降低相关疾病发病率，促进细胞健康。
表观遗传重编程通过重置细胞生物钟，在动物模型中取得积极成果，可逆转衰老相关变化，恢复细胞活力。随着研究推进，有望开发出延长寿命、提升生活质量的疗法，成为抗衰老关键策略。
生物工程中的伦理挑战

生物工程进步带来诸多好处，却也可能引发重大伦理问题。其发展速度常超监管与伦理框架建设，像遗传隐私、社会经济差异及生态影响等问题亟待考量。应对这些挑战，对生物工程技术安全、公平开发与部署意义重大。
生物工程监管框架需与技术同步，国际合作制定标准，涵盖批准、监测及长期影响评估。同时，要确保技术公平可及，通过投资基建、补贴保险等，让所有人受益，缩小医疗差距。
此外，社会接受与文化考量也不容忽视。公众看法影响技术应用，需通过教育、对话建立信任。还要平衡创新与可持续发展，将伦理融入研发各阶段，保障生物工程为人类和环境带来积极影响。
如何开始从事生物工程

生物工程是一个融合生物学、工程和技术以解决现实问题的领域，要求从业者具备热情、毅力和明确计划。理解生物工程内涵，建立坚实的学术基础，并通过在线课程、讲座或实验室参观探索各子领域，是入门的关键。正规教育与自主学习相结合，利用开源软件、免费课程和社区平台，可以访问尖端技术并为创新项目做贡献。
实践经验对于将学术知识转化为专业技能至关重要。通过实习、研究助理或独立项目，了解生物工程师的日常工作，并专注于创新和指导的机会。参加行业会议、研讨会，加入在线社区，可以发展沟通、领导和项目管理技能。
结论：生物工程的负责任管理

生物工程的未来将彻底改变人类生活的各个方面，从医疗保健和长寿到环境可持续性和技术创新。但这一潜力的实现取决于我们应对伴随这些进步而来的伦理、监管和社会挑战的能力。
通过培养负责任的管理、促进公平获取和参与包容性对话，我们可以确保生物工程服务于更大的利益，并为所有人的可持续繁荣未来做出贡献。
译者介绍

刘涛，51CTO社区编辑，某大型央企系统上线检测管控负责人。
原文标题：Pioneering Next-Gen Healthcare with AI, Epigenetics, and Bioengineering，作者：Vahe Aslanyan