2022中国生命科学与生物技术发展报告

**章 总论 一、国际生命科学与生物技术发展态势 生命和健康领域的科技创新与人类发展息息相关，也是全球科技竞争的焦点之一，尤其是在新型冠状病毒肺炎（新冠肺炎）疫情暴发后，该领域受到了空前的重视，科技竞争进一步加剧。技术的突飞猛进、学科的深度融合会聚，推动生命与健康科技加速发展，研究尺度和深度进一步拓宽，全生命周期、全系统研究愈加深入，数字化、系统化、工程化趋势明显。多组学、跨组学、单细胞等技术的大发展，以及由此进行的图谱绘制研究等，推动了分子、细胞、器官等多层次的基础研究向纵深推进，更加全面深入地认识和解析了生物体这一复杂系统。基因编辑、合成生物学等技术的发展，提高了人类改造、合成、仿生、再生的能力，为人类发展提供了更多“生物方案”。与此同时，生物体处在复杂的环境中，生物体之间、生物体与环境、个体到群体的研究在新技术的推动下全面开展，全健康（one-health）、精准医学（precision medicine）、群医学（population medicine）等新理念、新路径的提出推动了人们对健康与疾病的全面认识，并研发出更加有效的干预与治疗方案。 （一）重大研究进展 1．脑科学、类脑智能及脑机接口领域迅速取得突破 脑科学是生命科学研究的热点领域，各国脑科学计划稳步推进实施，推动了脑科学、类脑智能及脑机接口领域迅速取得突破。美国脑计划（BRAIN计划）资助的“大脑细胞普查网络”（BICCN）项目，在分子水平上对哺乳动物初级运动皮层细胞类型进行了全面分析，完成了单细胞分辨率下小鼠脑DNA甲基化图谱。脑机接口技术也逐步成熟，美国斯坦福大学等1开发的皮质内脑机接口新技术实现了从“意念”到文字的高性能转化；美国Blackrock Neurotech公司开发的意念控制鼠标、假肢等的脑机接口产品MoveAgain已获美国食品药品监督管理局（FDA）突破性设备认证。 2．干细胞与再生医学领域转化研究进入高速发展阶段 干细胞与再生医学转化研究加速，多个研究方向进入高速发展阶段，不断拓宽应用范围。干细胞移植疗法作为再生医学的核心发展方向，持续推进，全球批准及上市的干细胞产品已增至20种。类器官迎来快速发展期，仿生性和功能性均快速提升。例如，德国杜塞尔多夫大学在大脑类器官中培育出能够感知光线的视杯结构2，美国得克萨斯大学西南医学中心利用干细胞培养出人类早期胚胎样结构3等。体内重编程治疗疾病的可行性获得更多验证。例如，德国马克斯-普朗克心肺研究所成功实现了对小鼠心肌细胞的体内重编程，改善了心肌功能4。此外，干细胞与免疫细胞疗法及基因编辑技术等深度融合，促进了疾病新疗法的开发，2021年，利用基因编辑技术开发的CAR iPS-T细胞，展现出了良好的抗癌效果5。*后，异种器官移植作为再生医学中发展时间*长的领域，掀起了新一轮研究热潮，2021年美国纽约大学在全球首次开展了两例猪肾脏的人体移植，实现了在短期内发挥功能，且无排异反应6，7；2022年，美国马里兰大学又开展了一项猪心脏人体移植临床试验8。 3．疾病研究的精准医学体系逐渐形成，药物研发快速取得突破 疾病研究的精准医学体系逐渐形成，基于组学特征谱的疾病精准分型研究不断取得突破，推动更多的疾病精准预防诊治方案的研发和推广。疾病研究方面，肿瘤内异质性图谱9、肺鳞状细胞癌分子图谱10为疾病分子分型奠定了基础，通过对表皮生长因子受体（EGFR）突变来分类预测非小细胞肺癌的药物反应11，以进行精准用药。精准诊断方面，多款叶绿体DNA（ctDNA）液体活检产品的灵敏度、可靠性被评估12，并提出了*佳实践指南，将有望改善液体活检技术的特异性、灵敏性。 药物研发与疾病精准治疗方面，靶向药物开发成为精准治疗的主要方向。单克隆抗体作为当前主流靶向疗法之一，从自身免疫性疾病、癌症治疗逐渐扩展到传染病领域，针对新型冠状病毒（新冠病毒）、流感病毒、寨卡病毒和巨细胞病毒等所致疾病开发的单克隆抗体将可能成为对抗传染病的标准武器。多种新技术靶向药物的开发为疾病提供了更加多样化的治疗方案，免疫细胞治疗、抗体偶联药物（ADC）、双抗及靶向蛋白降解嵌合体（PROTAC）等疗法为癌症治疗带来了新希望，基因治疗、RNA疗法则主要在罕见病、传染性疾病等领域持续取得突破。在新冠肺炎疫情的推动下，mRNA疫苗研发成为生物医药领域*大热点，除了用于传染性疾病预防，癌症治疗性mRNA疫苗等也正快速开展临床研究。2021年，全球共有4款免疫细胞治疗药物、2款基因治疗药物、3款ADC、1款双抗及1款RNA药物获批上市。此外，粪菌移植等微生物组重构手段可改善受试对象对抗PD-1药物的应答，外泌体也因其独*的形态和功能成为液体活检、药物载体和新型药物研发中的前沿热点。 （二）技术进步 1．生命组学技术大大提高了生命认识和解析能力 生命组学技术是生命科学发展的重要技术驱动力，大大提高了人们认识生命和解析生命的能力。2022年度，空间组学技术取得突破，原位基因组测序（IGS）技术13实现了对单个细胞DNA序列及空间结构的同步解析，促进了对基因组信息的全面精确认识。单细胞多组学分析技术也取得了长足进步，整合单细胞多组学数据建立了人体循环免疫系统单细胞多组学参考图谱，为更好地理解免疫系统响应机制并开发靶向疗法铺平了道路14。 2．生物大分子三维结构智能预测为生命科学发展带来变革 人工智能（AI）对生物大分子三维结构的准确预测，不仅为认识生命过程、了解疾病发生机制提供了更高效的手段，甚至有望为整个生命科学的发展带来变革。2021年，该领域的重大突破是利用人工智能对生物大分子三维结构进行了准确预测，相关成果连续两年入选Science杂志“十大科学突破”。以英国DeepMind公司的AlphaFold2和美国华盛顿大学的RoseTTAFold为代表的蛋白质结构预测模型以极高的准确率预测出几乎全部人类蛋白质组，美国斯坦福大学开发的ARES可准确预测复杂RNA的三维空间结构。这不仅为认识生命过程、了解疾病发生机理、揭示潜在的新药物靶点提供了更高效的手段，甚至有望为整个生命科学的发展带来变革。 3．合成生物学提高和推动了生物技术的工程化水平 合成生物学的发展，以及与信息、材料、纳米技术融合，进一步提高和推动了生物技术的工程化水平，并为DNA存储、新型生物纳米材料的应用带来了希望。2021年，科研人员从头设计模块化蛋白生物传感器15、细胞表面蛋白阵列16、具备复杂结构特征的功能蛋白17等元件，为工程生物学的发展奠定了基础；优化了亚磷酰胺制造流程18，并将相关设备直接集成到DNA合成装置中，极大地提升了DNA合成的效率；通过将基因编码的数字数据混合到普通制造材料中，构建了DoT存储架构，或将生成具有恒久内存的材料19；利用DNA的可编程性成功制造了3D纳米超导体20，未来可以被应用在量子计算和传感领域。合成生物学国际竞争也愈加激烈，美国、英国、澳大利亚相继发布了新的路线图。 4．单分子及超高分辨率显微成像技术进一步迭代升级 单分子及超高分辨率显微成像技术通过升级超分辨率硬件、探针及其标记方法和数据处理算法，推动影像技术向高清、三维、实时、在体观察方向推进。澳大利亚昆士兰大学通过引入量子关联将相干拉曼显微成像的信噪比和成像速度提高了一个数量级21。美国密歇根大学使用Seq-Scope高通量测序技术而非显微镜技术，从组织切片中获得了基因表达的超高分辨率图像22。北京大学联合中国人民解放军军事医学科学院等研制出第二代微型化双光子荧光显微镜FHIRM-TPM 2.0，将成像视野提升至**代的7.8倍，同时具备三维成像能力23。AI技术的应用提高了显微成像的分辨率。中国科学院生物物理研究所与清华大学24提出了超分辨卷积神经网络模型，并基于此自主开发了多模态结构光照明超分辨显微镜，进一步提升了对生命过程的认识能力。 （三）产业发展 进入21世纪以来，生命科学领域持续取得重大技术突破，生物技术逐渐与信息技术并行成为支撑经济社会发展的底层共性技术，生物技术产品和服务以更加亲民的价格、更加贴近市场的形态加速走进千家万户，针对生物资源开发利用保护、生物技术创新及应用的制度体系日趋完善，生物经济时代的序幕徐徐拉开25。在医药生物技术领域，受新冠肺炎疫情影响，创新之门被猛地推开，新技术迅速落地。生命科学企业和医疗科技企业数十年来开展的科研工作和投资项目在短期内迅速取得成功。医疗创新的发展势不可当。在农业生物技术领域，生物技术的应用正深刻改变着全球农产品生产和贸易格局，近年来全球范围内生物育种技术不断取得重大突破，世界种业进入育种“4.0时代”，正迎来以全基因组选择、基因编辑、合成生物及人工智能等技术融合发展为标志的新一轮科技革命26。在工业生物技术领域，生物制造产品比传统石化产品平均节能30%～50%，对环境的影响减少20%～60%，微生物及其组分正在越来越多地