研究详细介绍了生物医学工程的五项前沿进展及其在医学中的应用
连接精密工程和精密医学，创建个性化的生理学化身。追求人类健康的按需组织和器官工程。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。设计免疫系统以促进健康。设计和工程基因组以进行有机体重新利用和基因组扰动。
根据由 50 人组成的工作组发表的一项研究“工程与医学界面的巨大挑战”，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在最新一期的IEEE Open Journal of Engineering in Medicine and Biology中。该论文得到了 IEEE 医学和生物学工程协会的支持。
该工作组的主要作者、加州大学圣地亚哥分校 Shu Chien-Gene Lay 生物工程系杰出教授 Shankar Subramaniam 表示：“这些重大挑战提供了独特的机会，可以改变工程和医学实践。” “多尺度传感器和设备形式的创新、人形化身的创建以及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疾病的反应。机构可以彻底改变生物医学和工程教育，培训最伟大的人才来解决有史以来最重要的问题——人类健康。”
除了 Subramaniam 之外，来自加州大学圣地亚哥分校 Shu Chien-Gene Lay 生物工程系的以下教员也是工作组的成员：Stephanie Fraley，副教授，Prashant Mali，教授，Berhard Palsson，YC Fung 生物工程教授和教授儿科副教授、教授、前系主任张昆。
该研究为开展变革性研究工作提供了路线图，预计在未来十年内将改变医学实践。这些进步将影响广泛的病症和疾病，从癌症、糖尿病、移植到假肢。
生物医学工程面临的五大挑战
连接精准工程和精准医学，打造个性化生理学
在日益数字化的时代，我们拥有可以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”——考虑到多模式测量和合并症、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。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。
为人类健康追求按需组织和器官工程 组织工程
正在进入一个关键时期，按需开发组织和器官(无论是永久植入物还是临时植入物)正在成为现实。为了促进这种模式的发展，需要干细胞工程和制造方面的关键进步以及基因编辑等辅助技术。其他形式的干细胞工具，例如器官芯片技术，很快就可以使用患者自己的细胞来构建，并且可以进行个性化预测并充当“化身”。
利用人工智能 (AI) 设计先进的大脑接口系统，彻底改变神经科学利用人工智能
，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。创造能够实现这一目标的技术是一项艰巨的任务，但这项任务的可能性越来越大。脑假体可以补充、替代或增强功能，可以减轻神经系统疾病造成的疾病负担。此外，大脑解剖学、生理学和行为的人工智能建模，以及神经类器官的合成，可以揭示大脑的复杂性，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，将其作为具有治疗和医学价值的技术。免疫疗法在癌症治疗中的应用提供了工程原理与疫苗、基因组、表观基因组和蛋白质工程创新以及纳米医学技术、功能基因组学和合成转录控制方面的进步相结合的证据。
为生物体重新利用和基因组扰动设计和改造基因组
尽管基因组学在过去几十年里取得了快速进步，但我们改造基因组 DNA 的能力仍然存在障碍。了解人类基因组的设计原理及其活性可以帮助我们为许多不同的疾病创建解决方案，其中涉及将新功能植入人类细胞，有效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传递方法仍然存在重大障碍，我们认为生物医学工程是解决这一问题的一个组成部分。
“我们生活在前所未有的时代，工程与医学的碰撞正在为人类健康创造全新的策略。我们工作组的成果，随着主要研究和培训机会的出现，可能会在未来几十年内在工程和医学两个领域产生反响。”约翰·霍普金斯大学担任该手稿的资深作者。
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