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3D器官芯片可实时监测细胞活动

[转贴自:科技日报    点击数:2136    更新时间:2018年10月30日]

     科技日报北京10月29日电 (记者刘霞)英国剑桥大学网站近日发布公告称,该校研究人员开发出一种三维(3D)器官芯片,可实时监测细胞活动,有望用于开发新疗法,同时减少研究中实验动物的使用数量。

   新设备基于导电聚合物海绵“支架”,研究人员将其组装成三维的电化学晶体管。细胞在支架内生长,然后将整个装置置于塑料管内,细胞所需营养可通过塑料管流动。使用柔软的海绵电极代替传统的金属电极,为细胞提供了更自然的环境,也是器官芯片技术成功预测器官对不同刺激反应的关键。研究人员表示,借助该装置,他们可以新方式研究细胞和组织。

   生物学研究目前仍然在培养皿中进行,其中特定类型的细胞在平坦的表面上生长发育。虽然自20世纪50年代以来,借助此方法取得了不少医学进步,但这些二维环境并不能准确展示人体细胞的原生三维环境,事实上还可能导致错误信息。

   最新研究作者、剑桥大学化学工程和生物技术系罗易斯·欧文斯博士说:“我们现在需要求诸三维细胞模型以开发下一代疗法,三维细胞培养可以帮助我们找到新疗法,并知道应该避免哪些疗法。”

   研究人员称,其他器官芯片设备需要完全拆开以监控细胞的功能,但新设计允许实时连续监测,因此,可对不同疾病及其潜在疗法的效果进行长期实验。借助这一系统,他们可以监测组织生长及其对外部药物或毒素的反应。此外,还可以诱导组织罹患特定疾病,以供研究与该疾病有关的关键机制或发现正确疗法。

   而且,新设备还可以修改,成为多种类型的器官芯片,如肝脏芯片、心脏芯片等,最终得到“身体芯片”,其可以模拟各种治疗方法对整个身体的影响。研究人员计划利用他们的设备开发肠道芯片并将其附着到大脑芯片上,以研究肠道微生物组与大脑功能之间的关系。

   目前,他们已在法国为该设备申请了专利。研究结果发表于最新一期的《科学进展》杂志。

X疾病来了:科学家呼吁主动迎击未知病毒威胁

     中国科技网(夏青)世界卫生组织(WHO)12日在官网公布了2018年度疾病优先级研究的评估表单,首次列出一种“神秘的”X疾病(Disease X)。据世卫组织定义,X疾病是指那些由目前并不清楚可能引发人类疾病的病原体引起的、严重的国际流行病,提醒各国应积极准备应对可能出现的潜在疾病威胁。

     自2015年底世卫组织首次发布与会专家认为可能造成公众健康危机且目前缺乏有效预防及治疗手段的数种重大疾病表单,并呼吁各国尽快对其进行研究起,至今已修订3次。X疾病能与一直位列其中的克里米亚-刚果出血热(CCHF)、埃博拉(Ebola)病毒和马尔堡(Marburg)病毒、拉沙热(Lassa fever)、尼帕(Nipah)病毒、中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV)和严重急性呼吸综合征(SARS)、裂谷热(RVF)等让人谈之色变的疾病赫然并现,值得引起各方重视。2018年2月23日,以美国国际开发署(USAID)全球卫生安全与发展部主任丹尼斯·卡罗尔(Dennis Carroll)博士为首的研究人员在《科学》杂志上发表文章称,人类间传播的263种已知病毒仅占所有潜在病毒的不到0.1%。而哪些未知病毒可能传染人类、引起大规模的流行疾病?——X疾病来了,但目前人类对其仍然知之甚少。

     为了避免在下一次疫情来袭时束手无策,科学家们倡议启动为期十年的全球病毒组计划(Global Virome Project),用于检测及描述地球上大部分未知的病毒威胁。这项被众多媒体誉为“野心勃勃”的计划耗资12亿美元,旨在识别99%可能从野生动物和牲畜宿主传染人类的未知病毒,描述其地理区域、宿主类别,并建立开放式的病毒全面生态和遗传信息数据库、生物库,对病毒传染风险、爆发几率等实施全球联网数据监测。

     从被动的应急处理、补救善后,到主动的研究预测、有针对性地实施防范,科学家们显示出在保护人类健康、对抗未知威胁方面的巨大雄心。这种新型思路将从根本上改变人类以往遭遇埃博拉、SARS非典型肺炎、寨卡(Zika)疫情大规模爆发时再作反应的被动局面,通过填补未知病毒生态、传播驱动方面的知识空白及增强有效全球监测网络等手段,力争前瞻性地预测未来高致病性病毒爆发风险及打造应急预案,在下一次疫情爆发之前采取疫苗、药物、创新疗法等手段主动出击,从而大幅降低新型致命病毒爆发对人类健康、世界经济、社会稳定等方面的侵害。

     这种转被动为主动的思路不容小视,除了完成利于人类预测及应对病毒威胁的既定目标之外,也会随之积累病毒采集、储存等流程的丰富实践案例、大量的野生动物保护数据等宝贵资源,拓展生物学、诊断学、治疗学、流行病学、生态学等相关领域的研究思路,并相应地促进全球卫生监督和生物多样性相关的样本、数据、信息等多方面的法律法规、政策监管、道德框架的建立及完善。

     实际上,人类已经较小范围地“试水”过这种主动对抗病毒威胁的思路——美国国际开发署的PREDICT项目在超过30个国家运行8年多,已经发现数百种已知和未知病毒。有此验证先行,“增强版”的病毒发现计划——全球病毒组计划终于在今年顺势而生。据其最新研究结果称,在鸟类和哺乳动物群体的约167万种未知病毒中,有63.1万到82.7万种病毒能够感染人体、导致人类疾病,目前发现印度狐蝠、恒河猴两个物种可能携带着能够引发人类新疾病的病毒。

     相较之下,研究人员们更乐于将全球病毒组计划比作新时代的人类基因组计划(Human Genome Project),后者曾于20世纪80年代大力促进了个性化基因组学和精准医学等新技术的发展,并获得约1:178的资本回报。理想估计,全球病毒组计划将通过加速开发新出现的病毒性疾病的新型诊断、疫苗技术和风险应急策略,实现大量可信且公开的数据的全球共享,大幅度促进全球健康和科学技术发展。

“迷你”肝脏肿瘤首次在实验室制造出了

      科技日报北京11月19日电 (记者刘霞)据英国剑桥大学官网16日消息,该校首次在实验室制造出了人类原发性肝癌的“迷你”生物学模型。研究人员表示,这个微型肿瘤模型可用来筛查肝癌新药、减少实验用动物的数量,甚至在未来用于为肝癌病患制定个性化疗法。研究发表于最新一期《自然·医学》杂志。

    原发性肝癌是全球第二致命的癌症。为了更好地理解其发病原理并制定疗法,需要在实验室培育病理模型,以精确模拟肿瘤在病人身上的表现。以前,科学家使用细胞培养物,但它们很难维持,也无法重现人类肿瘤的3D结构和组织架构。

    在最新研究中,科学家从8名病人身上获得肿瘤细胞,将其放在特殊营养液中培养,得到了直径为0.5毫米的“肿瘤类器官”,能模拟最常见的三种原发性肝癌。

    随后,他们使用这种肿瘤类器官测试了29种药物的药效,发现一种蛋白质抑制剂可抑制ERK蛋白(它出现于两种“肿瘤类器官”上)的活性,表明这种药物可能是肝癌化疗的优选药物之一。他们还将这两种肿瘤类器官植入老鼠体内,并用该药物进行治疗,结果发现,服药老鼠体内的肿瘤发育显著下降,表明这种蛋白酶抑制剂能明显抑制小鼠肿瘤生长。

    此外,该肿瘤类器官能保留原初人类肿瘤的基因表达模式和组织结构,且三种来自不同肿瘤组织的不同类型肿瘤类器官,即便长时间在一个培养皿中培养,也能加以区分,因此,该研究有望在为病人研发个性化疗法方面发挥重要作用。

    研究负责人梅里特克塞尔·胡赫说:“我们以前曾利用健康的肝脏器官制造类器官,但制造出肝脏肿瘤类器官是癌症研究领域的关键一步。这将让我们更好地理解肝癌的生物学特性,并最终为病人研制出个性化疗法,也能减少对实验动物的需求。尽管许多研究仍需动物实验验证,但新模型使癌症生物学家有了更多选择。”

总编辑圈点

    癌症被称为“众病之王”,甚至可以说是当今人类的“流行病”。人们之所以谈癌色变,不仅因为“中标”几率高,更因为现有医疗手段虽可予以还击,但很大程度上还是不能“搞定”。可以说,癌症的肆虐消耗了庞大的医疗资源,却事倍功半。如果哪一天,人们面对癌症也能像面对感冒一样稀松平常,整个世界的幸福指数必会大大提高。

霍金:让人工智能造福人类世界

   虽然史蒂夫-霍金开设了微博,但对大部分中国人来说,能与他直接交流的机会还是非常罕见。毕竟,我们多是从编译的外媒报道中,窥见这位科学巨擘思想的一二,而中文媒体的专访更是寥寥无几。

 新浪科技联合长城会发起了“科学复兴 对话霍金”的活动,获得与霍金面谈的机会,短短一周时间内,超过700万网友浏览讨论了该活动。我们也最终收集到了上万条对霍金提出的问题,与长城会创始人文厨远赴剑桥面见了这位当今世界最伟大的物理学家、宇宙学家,霍金讲述了对于人工智能可能带给人类的变化及其对人生的态度。

霍金近几年对人工智能十分关注,多次发表对人工智能发展的看法。在今天开幕的GMIC 2017北京大会上,霍金发表演讲称:“强大的人工智能的崛起,要么是人类历史上最好的事,要么是最糟的。对于好坏我们仍无法确定,现在人类只能竭尽所能,确保其未来发展对人类和环境有利,人类别无选择。”

人工智能的研究与开发现在正以极快的速度迅速推进,霍金称:“也许我们所有人都应该暂停片刻,把我们的研究重复从提升人工智能能力转移到最大化人工智能的社会效益上面。”基于这样的考虑,美国人工智能协会(AAAI)于2008至2009年,成立了人工智能长期未来总筹委员会(Presidential Panel on Long-Term AI Futures),他们近期在目的导向的中性技术上投入了大量的关注,确保人工智能系统须要按照人类的意志工作。

霍金提及聪明的机器将能够代替人类正在从事的工作,并迅速地消灭数以百万计的工作岗位。他称:“文明所提产生的一切都是人类智能的产物,我相信生物大脑可以达到的和计算机可以达到的,没有本质区别。因此,它遵循了‘计算机在理论上可以模仿人类智能,然后超越’这一原则。但我们并不确定,所以我们无法知道我们将无限地得到人工智能的帮助,还是被藐视并被边缘化,或者很可能被它毁灭。”

演讲中,霍金特别提到了,2015年1月,霍金与和SpaceX太空探索技术公司和特斯拉CEO埃隆-马斯克等其他人工智能专家签署的一份关于人工智能的公开信,目的提倡就人工智能对社会所造成的影响做认真的调研。在这之前,埃隆-马斯克就警告过人们:超人类人工智能可能带来不可估量的利益,但是如果部署不当,则可能给人类带来相反的效果。霍金称这份公开信号召展开可以阻止潜在问题的直接研究,同时也收获人工智能带给人类的潜在利益,致力于让人工智能的研发人员更关注人工智能安全。

在过去的20年里,人工智能一直专注于围绕建设智能代理所产生的问题,也就是在特定环境下可以感知并行动的各种系统。在这种情况下,智能是一个与统计学和经济学相关的理性概念。通俗地讲,这是一种做出好的决定、计划和推论的能力。基于这些工作,大量的整合和交叉孕育被应用在人工智能、机器学习、统计学、控制论、神经科学、以及其它领域。共享理论框架的建立,结合数据的供应和处理能力,在各种细分的领域取得了显著的成功。例如语音识别、图像分类、自动驾驶、机器翻译、步态运动和问答系统。

霍金解释:“随着这些领域的发展,从实验室研究到有经济价值的技术形成良性循环。哪怕很小的性能改进,都会带来巨大的经济效益,进而鼓励更长期、更伟大的投入和研究。目前人们广泛认同,人工智能的研究正在稳步发展,而它对社会的影响很可能扩大,潜在的好处是巨大的,既然文明所产生的一切,都是人类智能的产物;我们无法预测我们可能取得什么成果,当这种智能是被人工智能工具放大过的。但是,正如我说过的,根除疾病和贫穷并不是完全不可能,由于人工智能的巨大潜力,研究如何(从人工智能)获益并规避风险是非常重要的。”

人工智能的迅速发展,霍金称对短期的担忧在无人驾驶方面、智能的致命性自主武器、由人工智逐渐可以解读大量监控数据而引起的隐私和担忧以及如何管理因人工智能取代工作岗位带来的经济影响,而长期的担忧则是对人工智能系统失控的潜在风险,随着不遵循人类意愿行事的超级智能的崛起,强大的系统是否会威胁到人类。霍金担忧当前控制人工智能技术的工具,例如强化学习,还不足以解决上述问题。因此,人类需要进一步研究来找到和确认一个可靠的解决办法来掌控这些问题。

霍金曾称人工智能的全方位发展可能招致人类的灭亡,今年早些时候,还和一些来自世界各国的科学家共同在联合国会议上支持其对于核武器的禁令,因为他觉得作为科学家,对核武器承担着特殊的责任,因为正是科学家发明了它们,并发现它们的影响比最初预想的更加可怕。而对于人工智能,霍金同样觉得可能是人类文明史的终结,除非人类学会如何避免危险。

一个事物的好坏都有两面性,霍金表达完对人工智能的担心后,也表示人工智能的成功同样也可能是人类文明史上最大的事件,他称:“当人类的头脑被人工智能放大以后,也许在这种新技术革命的辅助下可以解决一些工业化对自然界造成的损害。关乎到我们生活的各个方面都即将被改变。”为此霍金去年在英国剑桥建立了一个新的机构“利弗休姆智能未来中心”,试图解决一些在人工智能研究快速发展中出现的尚无定论的问题。

演讲最后,霍金称人类还应该扮演一个角色,确保下一代不仅仅有机会还要有决心,在早期阶段充分参与科学研究,以便他们继续发挥潜力,帮助人类创造一个更加美好的的世界,即学习和教育的重要性时,“我们需要跳出‘事情应该如何’这样的理论探讨,并且采取行动,以确保他们有机会参与进来。我们站在一个美丽新世界的入口。这是一个令人兴奋的、同时充满了不确定性的世界,而你们是先行者。我祝福你们。”

以下为霍金回答中国网友与科技大咖、科学家、投资家的问题实录:

对话霍金

创新工场的CEO李开复提问:互联网巨头拥有巨量的数据,而这些数据会给他们各种以用户隐私和利益换取暴利的机会。在巨大的利益诱惑下,他们是无法自律的。而且,这种行为也会导致小公司和创业者更难创新。您常谈到如何约束人工智能,但更难的是如何约束人本身。您认为我们应该如何约束这些巨头?

霍金:据我了解,许多公司仅将这些数据用于统计分析,但任何涉及到私人信息的使用都应该被禁止。会有助于隐私保护的是,如果互联网上所有的信息,均通过基于量子技术加密,这样互联网公司在一定时间内便无法破解。但安全服务会反对这个做法。

猎豹移动CEO傅盛提问:灵魂会不会是量子的一种存在形态?或者是高维空间里的另一个表现?

霍金:我认为近来人工智能的发展,比如电脑在国际象棋和围棋的比赛中战胜人脑,都显示出人脑和电脑并没有本质差别。这点上我和我的同事罗杰-彭罗斯正好相反。会有人认为电脑有灵魂吗?对我而言,灵魂这个说法是一个基督教的概念,它和来世联系在一起。我认为这是一个童话故事。

百度总裁张亚勤提问:人类观察和抽象世界的方式不断演进,从早期的观察和估算,到牛顿定律和爱因斯坦方程式, 到今天数据驱动的计算和人工智能,下一个是什么?

霍金:我们需要一个新的量子理论,将重力和其他自然界的其它力量整合在一起。许多人声称这是弦理论,但我对此表示怀疑,目前唯一的推测是,时空有十个维度。

斯坦福大学物理学教授张首晟提问:如果让你告诉外星人我们人类取得的最高成就,写在一张明信片的背面,您会写什么?

霍金:告诉外星人关于美,或者任何可能代表最高艺术成就的艺术形式都是无益的,因为这是人类特有的。我会告诉他们哥德尔不完备定理和费马大定理。这才是外星人能够理解的事情。

长城会创始人文厨提问:我们希望提倡科学精神,贯穿GMIC全球九站,清您推荐三本书,让科技届的朋友们更好的理解科学及科学的未来。

霍金:他们应该去写书而不是读书。只有当一个人关于某件事能写出一本书,才代表他完全理解了这件事。

中国网友提问:您认为一个人一生中最应当做的一件事和最不应当做的一件事是什么?

霍金:我们绝不应当放弃,我们都应当尽可能多的去理解这个世界。

中国网友提问:人类在漫漫的历史长河中,重复着一次又一次的革命与运动。从石器、蒸汽、电气……您认为下一次的革命会是由什么驱动的?

霍金:我认为是计算机科学的发展,包括人工智能和量子计算。科技已经成为我们生活中重要的一部分,但未来几十年里,它会逐渐渗透到社会的每一个方面,为我们提供智能地支持和建议,在医疗、工作、教育和科技等众多领域。但是我们必须要确保是我们来掌控人工智能,而非它(掌控)我们。

音乐人、投资者胡海泉提问:如果星际移民技术的成熟窗口期迟到,有没有完全解决不了的内发灾难导致人类灭绝?抛开陨星撞地球这样的外来灾难。

霍金:是的。人口过剩、疾病、战争、饥荒、气候变化和水资源匮乏, 人类有能力解决这些危机。但很可惜,这些危机还严重威胁着我们在地球上的生存,这些危机都是可以解决的,但目前还没有。

原标题:新浪科技独家专访霍金:让人工智能造福人类世界


 
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