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加州大学圣地亚哥分校新闻

生物医学工程的五大前沿进展及其在医学中的应用

将精密工程和精准医学联系起来,创造个性化的生理学化身。追求按需组织和器官工程,促进人类健康。通过使用人工智能设计先进的大脑接口系统,彻底改变神经科学。为健康和保健设计免疫系统。设计和工程用于生物体再利用和基因组扰动的基因组。

根据“工程与医学界面的大挑战”,这是生物医学工程领域有可能对医学领域产生巨大影响的五个研究领域,该研究由50人组成的工作组发表在最新一期的IEEE医学和生物学工程开放期刊上。该论文得到了IEEE医学和生物学工程学会的支持。

Portrait of Shankar Subramaniam
Shankar Subramaniam是该工作组的主要作者,加州大学圣地亚哥分校Shu Chien-Gene生物工程系的杰出教授。
观看他关于工程和医学界面的五大挑战的演讲。

“这些巨大的挑战提供了独特的机会,可以改变工程和医学的实践,”该工作组的主要作者,加州大学圣地亚哥分校Shu Chien-Gene Lay生物工程系的杰出教授Shankar Subramaniam说。“多尺度传感器和设备形式的创新、人形化身的创建以及由人工智能驱动的异常逼真的预测模型的开发可以从根本上改变我们的生活方式和对病理的反应。机构可以彻底改变生物医学和工程学的教育,培养最伟大的人才来参与有史以来最重要的问题——人类健康。

除Subramaniam外,加州大学圣地亚哥分校Shu Chien-Gene生物工程系的以下教师也是工作组的成员:Stephanie Fraley副教授,Prashant Mali教授,Berhard Palsson,Y.C. Fung生物工程教授和儿科教授,以及教授兼前系主任张坤。

该研究为开展变革性研究工作提供了路线图,预计在未来十年内,这些工作将改变医学实践。这些进展将影响广泛的病症和疾病,从癌症到糖尿病,到移植,再到假肢。

生物医学工程面临的五大挑战

将精密工程和精准医学联系起来,实现个性化生理学化身

在日益数字化的时代,我们拥有收集大量患者数据的技术,临床医生可以添加或提取这些数据。利用这些数据来开发精确的生理学模型,称为“化身”——考虑到多模态测量和合并症、伴随药物、潜在风险和成本——可以将个体患者数据与超个性化护理、诊断、风险预测和治疗联系起来。可穿戴传感器和数字孪生等先进技术可以为应对这一挑战提供解决方案的基础。

追求按需组织器官工程对人类健康的需求

组织工程正在进入一个关键时期,在这个时期,按需开发组织和器官,无论是永久性的还是临时的植入物,正在成为现实。为了引导这种模式的发展,需要干细胞工程和制造方面的关键进展,以及基因编辑等辅助技术。其他形式的干细胞工具,如器官芯片技术,很快就可以使用患者自己的细胞来构建,并可以进行个性化预测并充当“化身”。

使用人工智能 (AI) 设计先进的脑接口系统,彻底改变神经科学

使用人工智能,我们有机会通过日常情况和现实世界的功能来分析大脑的各种状态,以无创地查明病理性大脑功能。创造能够做到这一点的技术是一项艰巨的任务,但这种可能性越来越大。脑假体可以补充、替代或增强功能,可以减轻由神经系统疾病引起的疾病负担。此外,大脑解剖学、生理学和行为学的人工智能建模,以及神经类器官的合成,可以解开大脑的复杂性,使我们更接近理解和治疗这些疾病。

设计免疫系统以促进健康和保健

随着对控制免疫系统的基础科学的深入了解,我们可以战略性地利用免疫系统来重新设计人体细胞,将其作为治疗和医学上宝贵的技术。免疫疗法在癌症治疗中的应用证明了工程原理与疫苗、基因组、表观基因组和蛋白质工程的创新相结合,以及纳米医学技术、功能基因组学和合成转录控制的进步。

设计和工程基因组,用于生物体再利用和基因组扰动

尽管基因组学在过去几十年中取得了快速发展,但我们设计基因组DNA的能力仍然存在障碍。了解人类基因组及其活性的设计原理可以帮助我们为许多不同的疾病创造解决方案,这些疾病涉及将新功能设计到人类细胞中,有效地利用表观基因组和转录组,以及构建新的基于细胞的疗法。除此之外,体内基因工程的基因递送方法仍然存在重大障碍 ,我们认为生物医学工程是解决这个问题的一个组成部分。

“我们生活在一个前所未有的时代,工程和医学的碰撞正在为人类健康创造全新的战略。随着重大研究和培训机会的出现,我们工作组的结果可能会在未来几十年内在工程和医学这两个领域产生反响,“约翰霍普金斯大学生物医学工程系教授兼主任迈克尔米勒说,他是手稿的资深作者。

新闻旨在传播有益信息,英文版原文来自https://today.ucsd.edu/story/five-cutting-edge-advances-in-biomedical-engineering-and-their-applications-in-medicine