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你想知道如何健康快樂地活到一百歲嗎？我的研究就是希望解決這個(gè)問題。”
4月1日上午舉行的復(fù)旦大學(xué)第十期“浦江科學(xué)大師講壇”上，英國皇家醫(yī)學(xué)科學(xué)院院士、澳大利亞國家表型組中心主任、復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院名譽(yù)教授杰里米·尼科爾森以《表型組醫(yī)學(xué)：在不斷變化且不可預(yù)測(cè)的世界中推進(jìn)疾病預(yù)防與診斷》為題做報(bào)告。
作為國際分子表型組領(lǐng)域?qū)＜遥峥茽柹谙到y(tǒng)醫(yī)學(xué)、代謝表型、分子病理學(xué)等領(lǐng)域都作出了突出貢獻(xiàn)，被譽(yù)為“代謝組學(xué)之父”。讓醫(yī)學(xué)從“對(duì)抗疾病”轉(zhuǎn)向“預(yù)見未來”，他致力于讓先進(jìn)醫(yī)療技術(shù)跨越實(shí)驗(yàn)室的高墻，成為每個(gè)人觸手可及的生命盾牌。
從基因組到表型組，人類如何研究“延年益壽”
“我們都希望能夠活得更長壽、更健康、更快樂，而對(duì)于我們中的很多個(gè)體來說，科學(xué)進(jìn)步可以顯著提升生命質(zhì)量，這就是我們所說的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)。”尼科爾森的演講從精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)切入，指出基因組檢測(cè)工作是目前人類疾病防治的重要工程之一。
現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)在基因組測(cè)序方面實(shí)現(xiàn)了重要進(jìn)展，2003年， 92% 的人類基因組就已成功完成測(cè)序，但人們?nèi)栽跒槭Ｏ碌?8% 的基因組測(cè)序和圖譜編制而努力。
然而，人類生活在不斷變化的環(huán)境中，基因與環(huán)境之間的動(dòng)態(tài)交互作用是理解健康與疾病的關(guān)鍵，因此，僅僅關(guān)注基因是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，正是這一局限催生了表型組學(xué)的誕生。
“我們的基因與環(huán)境——包括吃的食物、呼吸的空氣、使用的電子產(chǎn)品、與人體共生的微生物體——都會(huì)產(chǎn)生互動(dòng)，進(jìn)而影響到人類的預(yù)期壽命。研究這些內(nèi)容的范疇，就是人類表型組。”他介紹。
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所謂表型組，就是由基因、表觀遺傳、共生微生物、飲食和環(huán)境暴露之間復(fù)雜的相互作用而產(chǎn)生的一系列可測(cè)量特征，包括個(gè)體和群體的物理特征、化學(xué)特征和生物特征。表型組學(xué)聚焦于這些可測(cè)量特征的研究，是繼基因組之后生命科學(xué)的又一個(gè)重點(diǎn)方向。
“在過去幾十年間，人類死亡的方式與比例在不斷發(fā)生改變，這是表型組學(xué)重視的問題之一。”尼科爾森用倫敦四百年間的死亡數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行舉例，說明環(huán)境與人體的互動(dòng)方式——1632年，倫敦人的主要死因是感染性疾病和兒童疾病，那時(shí)分娩死亡率和新生兒死亡率都很高，但現(xiàn)在這種死因已大為減少，而一些新的死亡因素比例則開始上升。
這些數(shù)據(jù)表明，環(huán)境影響與社會(huì)背景也與健康問題密切相關(guān)。因此對(duì)于時(shí)代與社會(huì)的關(guān)注，也是表型組學(xué)的重要話題。
比如現(xiàn)在英國有50%的兒童不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)，同時(shí)大量青少年在16歲之前就開始飲酒，這些錯(cuò)誤的習(xí)慣會(huì)提升他們的炎癥風(fēng)險(xiǎn)，甚至提高胰島素抵抗。“但這不是科學(xué)家能夠輕易解決的問題，還需要社會(huì)各方的合作與努力。”尼科爾森指出。
用先進(jìn)醫(yī)療技術(shù)，破解健康危機(jī)的“代謝密碼”
“人類是超有機(jī)體，我們的健康密碼，不僅藏在2萬個(gè)人類基因中，更存在于100萬億個(gè)微生物基因的復(fù)雜對(duì)話里。”尼科爾森點(diǎn)明表型組學(xué)對(duì)人類健康與疾病的重要意義。
每人腸道內(nèi)1公斤微生物，其代謝產(chǎn)物可解釋8%的BMI變異，并與糖尿病、自閉癥等疾病直接關(guān)聯(lián)。此外，在COVID-19長期后遺癥患者的血液中，炎癥因子與脂蛋白紊亂共同構(gòu)成“代謝風(fēng)險(xiǎn)空間”，提示心血管與神經(jīng)退行性疾病風(fēng)險(xiǎn)激增。
上述種種“蝴蝶效應(yīng)”表明，傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)模式已經(jīng)難以應(yīng)對(duì)現(xiàn)代健康挑戰(zhàn)，而表型組醫(yī)學(xué)通過“全息解碼”人體與環(huán)境的動(dòng)態(tài)交互，正為這些難題提供了全新視角。
“如果我們能實(shí)時(shí)讀取人體的化學(xué)信號(hào)，醫(yī)療決策將不再依賴經(jīng)驗(yàn)猜測(cè)。”尼科爾森隨后向大家展示了其團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的幾項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。
澳大利亞國家表型組中心已開發(fā)出低成本、便攜式的核磁共振NMR設(shè)備，可快速評(píng)估心血管風(fēng)險(xiǎn)甚至早期感染跡象。“就像血糖儀普及了糖尿病管理，未來這些工具將讓普通人也能掌握自己的健康密碼，”他舉例道，疫情期間發(fā)現(xiàn)的尿液生物標(biāo)志物，未來或能通過家用檢測(cè)試紙實(shí)現(xiàn)病毒早篩，防患于未然。
從實(shí)驗(yàn)室到手術(shù)臺(tái)，該中心研發(fā)的i-Knife技術(shù)則通過組織蒸發(fā)氣體分析，能夠在0.1秒內(nèi)區(qū)分腫瘤與健康組織，精準(zhǔn)率超95%，避免過度切除的悲劇。結(jié)合MRI與AI，未來，手術(shù)機(jī)器人將根據(jù)代謝圖譜自動(dòng)避開神經(jīng)與血管，“像GPS一樣引導(dǎo)手術(shù)刀”，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)穿透。目前，倫敦三家醫(yī)院已對(duì)該技術(shù)開展臨床試驗(yàn)，患者愈后生存率將得到明顯提高。
疾病沒有國界，國際合作是破局之路
面對(duì)生命健康領(lǐng)域的一系列全球性挑戰(zhàn)，尼科爾森認(rèn)為，國際合作是唯一出路。他在PPT中展示了國際表型組中心網(wǎng)絡(luò)的藍(lán)圖——從上海到珀斯，從多哈到劍橋，科學(xué)家們將共享數(shù)據(jù)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建全球健康預(yù)警系統(tǒng)。
“COVID-19教會(huì)我們，疾病無國界，而表型組醫(yī)學(xué)的使命是讓預(yù)防無盲區(qū)。”他強(qiáng)調(diào)。
關(guān)于中西醫(yī)協(xié)作互補(bǔ)，尼科爾森指出，中醫(yī)藥承載獨(dú)特理論體系，是極具價(jià)值的預(yù)防醫(yī)學(xué)手段，而西醫(yī)更側(cè)重疾病治療領(lǐng)域，兩者形成顯著互補(bǔ)。“針對(duì)不同個(gè)體如何選擇中西醫(yī)療法”這一命題亟需深入研究。他同時(shí)強(qiáng)調(diào)科研倫理準(zhǔn)則：作為科學(xué)家，數(shù)據(jù)公開與共享是學(xué)術(shù)使命的核心，但國際合作需以知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)為前提，需通過規(guī)模化路徑實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化價(jià)值。
2018年，復(fù)旦大學(xué)牽頭實(shí)施人類表型組國際大科學(xué)計(jì)劃（一期），這項(xiàng)中國首個(gè)聚焦人類表型組的國際大科學(xué)工程，由金力院士擔(dān)任首席科學(xué)家，聯(lián)合其團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的全球頂尖科研力量，構(gòu)建了從宏觀體征到微觀分子水平的全維度表型解析體系。
“不同國家的科研工作者建立起連接與共識(shí)，在研究方法、實(shí)驗(yàn)流程等方面達(dá)成一致。好比是大家都在做菜，現(xiàn)在用的是同一份菜譜，保證做出來的菜味道是一樣的。”作為國際協(xié)作組的共同發(fā)起人和理事會(huì)成員，尼科爾森這樣比喻。
該計(jì)劃近年來產(chǎn)出一系列突破性成果，顯著推進(jìn)了精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)發(fā)展，既為生命科學(xué)領(lǐng)域樹立新標(biāo)桿，又通過跨尺度表型數(shù)據(jù)庫與標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系的建立，向世界貢獻(xiàn)了系統(tǒng)性的健康研究范式。尼科爾森介紹，下一步，團(tuán)隊(duì)還要克服樣本收集處理的問題，從而實(shí)現(xiàn)更深入的國際合作。
互動(dòng)環(huán)節(jié)，一名學(xué)生提問：AI能參與表型組研究各個(gè)環(huán)節(jié)嗎？尼科爾森搖搖頭：“AI可以進(jìn)行大規(guī)模群體分析，但如果分析對(duì)象是差異化個(gè)體，恐怕就有點(diǎn)力不從心了，這也證明了科學(xué)家的不可替代性。”
在尼科爾森看來，AI是工具，但科學(xué)的核心是人類對(duì)未知的追問。
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