随着医学生物前沿技术的快速发展,多组学整合、单细胞与空间组学、人工智能及新型转化技术正在不断改变疾病研究的方式。这些技术不仅加深了对疾病异质性、微环境互作和分子调控网络的认识,而且推动疾病研究从单一层面的理解逐步转向系统分析、功能验证和精准干预。围绕近五年多组学整合、单细胞与空间组学、人工智能发展进行综述,并介绍纳米生物传感器、基因递送系统、器官芯片和重组活体生物治疗剂等代表性转化技术,重点分析其在跨尺度整合、动态过程观测、因果关系推断、标准化和临床验证方面面临的共性问题,进一步讨论多模态融合、可解释建模、功能实验与前瞻性验证等发展方向,以期为医学生物前沿技术由高维观测走向机制研究和临床应用提供参考。
细胞因子是一类调控免疫稳态、炎症反应、细胞增殖分化和死亡的蛋白质因子,我国在该领域的药物研发已形成独具特色的“中国范式”。系统综述了以细胞生长因子为代表的我国细胞因子药物创新研发历程,从20世纪80年代技术突破、90年代产学研协同转化,到21世纪长效化、精准化高质量发展的全历程。在表达与产业化关键技术方面,阐述了目前主流三大表达系统的技术体系与瓶颈解决策略,以及定点突变、聚乙二醇(PEG)修饰、Fc融合等蛋白质工程改造与长效化技术的突破。在产业与产品层面,梳理了国内已上市代表性主流重组细胞因子药物的品类布局与临床适应证,剖析了从普通重组蛋白到复方制剂、载体缓释系统的产品迭代路径。关注本土研发在制剂稳定性、靶向递送、长效化技术及产业同质化竞争等方面的核心短板,并前瞻性探讨了AI驱动的精准分子改造、智能缓释递送载体及合成生物学驱动的绿色制造等未来创新方向。进一步总结并回顾了我国科学家在研发、转化和临床应用领域的引领性成果和创新工作,为我国重组细胞因子药物研发的持续创新与高质量发展提供了系统性参考。
颗粒型疫苗递送系统以其材料多样性、表面易修饰及多功能集成等特点,在多种新型疫苗制剂中发挥重要作用,通过抗原保护、抗原储库、细胞募集、靶向递送等机制大幅提升免疫保护效果。为推动颗粒型疫苗递送系统的理性设计,从颗粒对免疫应答的调控机制及其抗原靶向递送策略、释放模式设计等方面对近期相关进展进行介绍。重点包括颗粒理化性质的影响,如颗粒尺寸决定其淋巴结富集效率与细胞摄取途径;表面电荷影响抗原的细胞摄取与溶酶体逃逸。近年来研究发现颗粒的刚性也会对其免疫作用机制产生影响,软颗粒及可变形Pickering乳液可通过应力形变增大与细胞间接触面积,进而促进细胞对抗原的摄取。在靶向递送方面,分别从器官、细胞和亚细胞三个层级系统阐述逐级靶向的设计策略。此外,脉冲释放颗粒制剂可通过单次注射模拟多次疫苗接种的释放模式,降低免疫成本,提高接种依从性。但当前,颗粒型疫苗递送系统的设计仍主要依赖于前期经验指导和大量实验试错,人工智能辅助设计的引入有望突破这一瓶颈,加速新型递送系统构建,并实现针对特殊应用场景的制剂精准设计,如适用于黏膜免疫或低免疫力人群的相关递送系统。同时,结合规模化生产、质量控制与监管科学层面的联合攻关,有望进一步推动颗粒型递送系统研究,为新一代疫苗研发提供坚实支撑。
微生物细胞工厂是合成生物制造的核心平台,但人工代谢途径与底盘细胞在遗传维持、表达资源、代谢网络、反应微环境及发酵过程等层面的不适配,常导致工程菌株表型衰减和放大性能下降。以细胞工厂“设计-构建-优化-放大”的全生命周期为主线,从细胞工厂微观和宏观多个层面的适配性问题出发,在系统梳理各层级不适配成因的基础上,分析了不同层级之间的因果关联与反馈关系,总结了传统代谢工程策略和相关数字化技术解决适配性问题的思路和效果,讨论了现阶段微生物底盘细胞发酵放大的关键挑战和未来发展方向,提出了微生物细胞工厂适配性工程的概念和赋能合成生物制造的应用思路,为细胞工厂的全生命周期设计提供了高效且系统的优化框架。
嗜盐微生物,尤其是盐单胞菌属(Halomonas)细菌,因其在高盐、高pH条件下的快速生长与天然抗污染能力,已成为下一代工业生物技术(NGIB)的代表性底盘。以盐单胞菌底盘为线索,从新疆盐湖的菌株分离出发,系统梳理高盐发酵技术体系的构建历程、技术壁垒与产业验证;进而沿盐湖-海水-深海的环境梯度,综述海洋微生物生物勘探的方法论进展和遗传资源潜力;在此基础上,引入人工智能(AI)驱动的次级代谢产物结构预测技术,展示海洋微生物“化学暗物质”的解锁路径;最终提出:微构工场业已建成的万吨级高盐发酵产线,不仅解决了聚羟基脂肪酸酯(PHA)的低成本生产问题,更是承接深海遗传资源开发与产业转化的理想陆地基础设施。在广义生物制造的框架下,海洋嗜盐微生物资源的价值已超越大宗化学品生产,延伸至新型药物、基因编辑工具与功能蛋白质等知识产权密集型领域。综述旨在为海洋生物制造从资源发掘到产业落地的全链条提供框架性思考。
生物制造对酶分子、工程菌株、功能细胞和合成生物学元件的高效筛选提出了更高要求,而传统琼脂平板、微孔板和流式分选在通量、试剂消耗、胞外产物检测及基因型-表型关联方面仍存在局限。液滴微流控技术能够将单个细胞或反应单元封装于皮升至纳升级微反应器中,在独立微环境内完成培养、检测和分选,为大规模文库筛选提供了重要平台。从筛选任务需求出发,系统总结液滴高通量筛选平台的构成与设计原则,比较单乳液、双乳液、凝胶微球等液滴微反应器的适用场景,重点讨论直接表型、荧光标记信号和无标记分子表型的获取与解析策略。在此基础上,进一步梳理液滴分选驱动方式、目标回收验证等关键环节,并介绍模块化实验室系统、商业仪器和耗材标准化的发展现状。最后,讨论筛选信号适配、复杂对象培养、分选准确性和系统集成等挑战,展望人工智能、多模态检测和多学科交叉研究在未来液滴筛选平台中的应用。液滴微流控高通量筛选平台将在酶工程、细胞工厂改造、合成生物学元件筛选、无细胞系统优化、抗体发现与类器官药物评价等领域发挥更大作用。
面对全球人口增长与资源环境约束,微生物蛋白作为新一代替代蛋白质来源展现出巨大潜力。然而,现有综述多聚焦于微生物蛋白宏观可持续性与营养组成,鲜有研究系统阐述其微观形态结构在决定加工适应性与营养特性中的核心作用。系统梳理了微生物蛋白的形态结构基础与组成差异,包括不同微生物(酵母、丝状真菌、细菌、微藻)细胞壁的化学与物理特性及其空间架构。在此基础上,深入探讨了微生物蛋白形态结构如何决定其在热加工中的质构重塑能力,以及形态结构完整性如何作为物理屏障调控其在人体消化道内的消化动力学(从口腔咀嚼到结肠发酵)。最后,总结了从菌株选育、合成生物学改造到食品加工工艺的结构调控策略。旨在构建微生物蛋白形态结构与微生物蛋白功能(食品加工及消化特性)的关联影响,为精准设计具有特定感官与健康功能的新一代微生物蛋白食品提供理论依据。
糖链作为继核酸、蛋白质之后的“第三条生命信息链”,其结构复杂性和功能多样性远超前两者,它在细胞识别、信号转导、免疫调节、病原体感染、肿瘤转移等生命过程中发挥重要的作用,尤为重要的是,糖基化修饰对蛋白质和核酸的功能发挥至关重要,这赋予了糖科学在揭示生命本质和开发创新疗法方面不可替代的战略价值。2022年诺贝尔化学奖得主Carolyn Bertozzi指出:糖类是生物宇宙的暗物质,其重要性长期被低估。近50年来,随着糖生物学基础研究的深入和糖工程技术手段的迭代,糖科学已发展成为涵盖化学、生物学、合成生物学、药物学和材料学的综合性学科体系。全球糖组学/糖生物学市场2024年估值约24亿美元,预计2035年将达110亿~120亿美元,年复合增长率约 15%;功能性碳水化合物市场2025年规模90亿~100亿美元,核心细分赛道年复合增长率可达9%~10%。中国糖科学与糖工程领域正迎来历史性发展机遇:以“破译生命的糖质密码”重大研究计划为代表的国家战略投入、糖疫苗与糖药物领域的关键技术突破,以及合成生物学驱动的功能糖生物制造产业升级,共同构筑了中国糖工程从“并跑”迈向“领跑”的坚实基础。系统梳理了国际糖科学50年发展演进与中国糖工程30年发展历程,深入分析了糖组学、糖类药物与疫苗、功能糖绿色生物制造等核心领域的发展态势,阐述了人工智能与合成生物学等交叉学科创新前沿,并围绕《中国糖科学与糖工程发展技术路线图(2026-2035)》提出了面向2035年的战略路径与行动建议。面向2035年,糖工程将在糖链智能合成、糖质密码解析、糖工程产品精准制造和糖医学转化四大方向实现系统性突破,推动中国糖科学与糖工程引领全球发展。
盐胁迫是全球农业生产中限制作物稳产的主要非生物逆境之一。近年的研究开始从传统的损伤观测转向对胁迫起始时间、受害程度及植株恢复能力的连续追踪。表型组学技术在近十年快速发展,高通量表型平台逐步形成了成像采集、自动提取和统计建模的一体化流程。研究者可以用无损方式连续获得株高、叶夹角等反映外部株型的数字性状,以及利用各种光谱反射指数反映植物内部生理状态的表型,并在群体尺度进行比较分析。近几年的作物盐胁迫研究也证明,高通量表型组学方法可以更早识别胁迫响应,从而提高耐逆材料筛选效率。该方法还可以把形态变化和生理变化放在同一时间轴上解释,为后续植物遗传数据和表型数据联合分析提供了基础。当前表型数据采集能力远超数据整合与预测建模能力,并且缺乏与基因组数据库对标的标准表型组数据库,多维表型数据潜力尚未充分发挥。因此系统性地将高通量表型组学纳入耐盐评价体系,构建兼顾效率与精度的标准化预测框架,对于将累积的耐盐基因资源转化为可应用于田间的育种成果具有紧迫的必要性。
脑机接口已成大国布局未来产业的主赛道。我国脑机接口产业发展迅速,在若干环节形成了优势,尤其是非侵入式性价比领先、场景落地快。但总体看,核心器件、算法、材料仍有制约因素,资本市场投融资活跃度不高、伦理法规及监管相对滞后等问题也很突出。从中美两国脑机接口对比优势分析入手,结合我国产业现状和存在的问题,提出了以“研用结合”为主的方式,加快推动我国脑机接口产业发展的策略与建议,为有关方面决策和行业发展提供参考。
新质蛋白是指区别于传统农业种养方式,通过生物制造体系规模化生产的蛋白质产品。新质蛋白的本质,不是对传统蛋白的简单替代,而是一场从供给源头、生理价值到消费感知的“三位一体”产业范式跃迁。新质蛋白“新来源、新功能、新体验”缺一不可——因为新质蛋白的出发点和落脚点,始终是消费者的真实需求。遵循这一逻辑,梳理了产业演进的内在脉络,剖析了从研究走向发展所面临的现实关隘,并提出以消费者为中心、以系统观念构筑全链条协同产业体系的战略路径,以期为科研、产业、政策、投资各界提供前瞻性思考。
干扰素是机体天然免疫核心多功能细胞因子,兼具广谱抗病毒、抗肿瘤和免疫调节作用。1978年侯云德院士团队报道从中国人脐血全血经病毒诱生出干扰素α1b,后经基因克隆获得重组人干扰素 α1b,该亚型为全球首个黄种人源干扰素,获批我国首个拥有完全自主知识产权的基因工程一类新药。系统梳理其 50 年发展历程:20 世纪 80 年代实现源头基因创新,首创人种适配细胞因子药物研发理论;90 年代突破表达、制剂产业化瓶颈,建立专属质控体系,实现规模化生产与多适应证布局,完成干扰素国产替代;21 世纪前10年深耕慢性肝炎领域,积累大量循证数据;第二个10年依托雾化吸入创新拓展儿科呼吸道病毒感染治疗,被多部临床指南共识推荐;近10年作为公共卫生应急储备药应用于新型冠状病毒感染防控,同时在黑色素瘤等免疫联合治疗领域取得突破性进展。重组人干扰素 α1b 完整见证我国生物医药从仿制走向源头创新,全链条自主知识产权、人种适配带来的高安全性和疗效优势,为国内重组蛋白药物研发与成果转化提供标杆范式,持续为新发传染病防控、肿瘤综合治疗提供临床支撑。
合成生物学政策并非在学科形成之后才从外部介入,而是在重组DNA治理、基因工程监管、生物经济战略与科研组织制度的长期演进中逐步形成。以美国、英国、德国、法国、澳大利亚、日本和中国为比较对象,采用定性政策文件分析、结构化聚焦比较与过程追踪方法,对截至2025年12月31日的法律法规、国家战略、科研计划、资助项目、指南、咨询报告、路线图及组织机制进行分类分析。研究发现:七国的具体路径虽各有差异,但可归纳为既有制度适应型、战略协调型和国家任务组织型三种比较类型;单一国家也可能同时具有两类特征。政策演进不是简单的线性阶段转换,而是技术突破提高风险可见性、产业化需求扩展政策工具、竞争与安全压力经由专业评估、法律授权、行政协调和项目组织等制度渠道转化为政策行动。全球层面,生物武器禁止、生物多样性、惠益分享、双重用途、核酸筛查和生物风险管理构成多层且碎片化的规则体系。合成生物学科技政策重点不在复制单一国家模式,而在制度条件下形成创新供给、产业转化、风险规制与组织协调相互衔接的政策组合。
