在美国旧金山的杜比实验室里面,有一间精心设计的隔音客厅,被邀请的受访者需要佩戴一顶挂满金属纽扣的皮帽,坐在皮革沙发上面,手腕上也被套上一个类似 Apple Watch 的穿戴设备。整个氛围充满了黑科技的气息。

生物电子的“风口时代”
这是一顶带有 64 通道的 EEG 帽,上面嵌入的是能够测量大脑神经元产生的电活动的生物传感器,手腕上佩戴的实际上是一个能够测量心率和皮肤电反应的跟踪仪。事实上,房间中还架设了热成像相机,能够即时观察受访者的皮肤温度变化。除此以外,受访者的指尖还带有一个能够测量脉搏血氧的小型设备。

这间完整的生物物理实验室,是 2015 年的时候由杜比实验室构思策划建立的,负责该项目的首席科学家 Poppy Crum 对外宣布其目的是为了更好的理解人类对视频和音频体验。事实上在 2012 年,该团队就已经开始研究人类对视频和音频的生理反应。

杜比实验室并不是第一家采用这些先进的生物传感器来研究人机互动技术的公司。美国 Electrozyme 公司研制出一款内置生物传感器的腕带,能够直接读取皮肤表面渗透出来的汗液内化学信息数据,通过内置的算法和处理器采集和分析人类身体在剧烈运动过程的反应;布朗大学的科学家开发出一种新型传感器,能够利用人体唾液而不是血液来检测血糖水平,真正做到无创级别的血糖监测;美军在 2014 年开发出一种嵌入绷带中的生物传感器,能对军人汗液中的流动物质进行跟踪,从而监测健康状况来提升作战时的表现;意大利的科学家们利用 DNA 开发了一种传感器,可以对癌症细胞产生的化学变化进行检测并作出反应,从而帮助将药物成功运送进肿瘤细胞进行治疗作用。

生物电子时代的“发动机”
根据全球知名市场调研公司 PMR(Persistence Market Research) 发布的一份新报告,未来 6 年,全球生物传感器 (biosensor) 市场将经历快速增长,该市场 2014 市值为 129 亿美元,到 2020 年将达到 225 亿美元,复合年增长率 (CAGR) 为 9.7%。按地理划分,北美是全球生物传感器的最大市场,2014 年市值 57 亿美元,预计到 2020 年将达到 95 亿美元,预测期内复合年增长率 (CAGR) 为 8.9%。而由于医疗保险普及率的不断扩大、人口基数大以及卫生保健系统的不断升级,亚太地区将成为增长最快的地区。

多年前美国化学协会召开的一个会议上面,曾经有科学家展示过 DNA 传感器的应用场景。这种 DNA 传感器也称为基因传感器,是生物传感器的一种,能将目标 DNA 的存在转变为可检测的电信号的一种传感装置。这种灵敏快速准确的传感器非常适合医学检测,包括传染性疾病、遗传学疾病以及恶性肿瘤等疾病上面的检测。在纳米膜技术发展推动下,DNA 传感器在“即时检测”的应用会越来越广。

传感器的跨界应用,对生物传感器的需求能做到无缝切入,将是未来的趋势。未来十年内“即时检测”的潮流会到来。生物传感器的物理形态和应用情景将实现个性化。生物传感器的发展,不再是像智能手表或者健身手环那样,而是通过 3D 打印技术实现个性化的需求。近日,美国研究人员宣布开发出一种 3D 打印的可植入血压传感器装置。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家创造了一个纳米级别的“模孔蛋白”,这种碳纳米管能在体内用于运输药物,作为新型的生物传感器和 DNA 测序的应用基础。梅奥诊所和无线传感器公司 Gentag 日前也宣布,双方计划开发一次性的无线可穿戴贴片传感器,面积只有药膏般大小,能和智能手机整合进行糖尿病、肥胖症和相关疾病的监控。

随着生物传感器整合 3D 技术和纳米技术推动下,更多的穿戴设备将被重新定义,不仅在物理形态上,而且在和人类身体无缝对接上面,更是带给我们无限的想象空间。

正是生物传感器技术的发展,推动了生物电子学领域的“风口”到来。

生物电子的商业化之路
2016 年 8 月 1 日,英国葛兰素史克 (GSK) 和美国公司 Verily 宣布投资 5.4 亿英镑联手创建 GalvaniBioelectronics(生物电子),标志着生物电子在医疗领域的商业化开始了更大空间的发展。

葛兰素史克由葛兰素威康和史克必成合并而成,于 2000 年 12 月成立。两家公司的历史均可追溯至 19 世纪中叶,各自在一个多世纪的不断创新和数次合并中,在医药领域都确立了世界级的领先地位。目前 GSK 已经是全球 Top5 的生物医药企业之一。从 2012 年开始,GSK 就已经关注生物电子领域,在全球开展了 50 多项研究。

那么,美国公司 Verily 又是什么来历呢?原来,这家公司是由谷歌神秘的 Google X 实验室分拆出来的 Google Life Sciences 改名以后的子公司。过去几年这家公司一直在秘密的进行着两项改变世界的项目:1. 开发一款与电影《星际迷航》中的医用“三录仪”(Tricorder)类似的设备用于治疗癌症;2. 开发一款能够检测眼泪中血糖的隐形眼镜。但是这两个项目一直以来都是处于“雷声大雨点小”的状态。

 


谷歌联合创始人 Sergey Brin 曾透露说,之前谷歌血糖检测隐形眼镜的想法激发了 Verily 的形成,该公司在其网站上推出了一些产品,这些设备都能轻松融入到人们的日常生活之中。虽然这家公司的项目极具黑科技的风格,但却在产品开发的道路上面临众多的质疑。谷歌很多的划时代项目都是起源于“先启动,再开发”的原则,在医疗健康领域,这家公司的做法和传统的生物科技公司往往背道而驰。绝大多数的生物科技公司起初都是秘密运营的,一旦对外公开,就意味着得到了一些“力量”的支持,目前为止,Theranos 和 Verily 是例外,这两家公司的高层都非常高调,热衷于游走在媒体之间获得关注。

尽管这两家公司联合进军生物电子在医疗的应用领域,也无法证明其能够在未来垄断这个领域的一些核心技术。生物电子是一个处于爆发前期的领域,这里面有两个重要的组成部分:生物传感器和生物信息。

生物电子的未来趋势
生物电子学研究包含两个方面:一是研究生物体系的电子学问题,包括生物分子的电子学特性、生物系统中信息存贮和信息传递,由此发展基于生物信息处理原理的新型计算技术;二是应用电子信息科学的理论和技术解决生物学问题,包括生物信息获取、生物信息分析,也包括结合纳米技术发展生物医学检测技术及辅助治疗技术,开发微型检测仪器。

 


在商业的转化应用领域,生物电子的这两个研究方向,形成了:1. 生物传感器的核心技术,包括超导技术(超声波神经脑机交互)、生物芯片技术(蛋白质和 DNA 分子)、生物纳米技术(生物纳米传感器)等;2. 生物信息的核心技术,包括生物信息采集技术(生命数据化)、生物信息系统的建模(生物信息分析算法)、生物信息解读系统(基因信息解读和脑机交互信息解读)等。

未来生物电子领域发展的两个趋势也会到来:1. 生物传感器相关设备的小型化;2. 生物信息相关数据服务的专业化。这两个趋势会在商业市场中形成上千家细分的专业型科技公司,大量互联网领域的软件工程师和产品经理将会涌入到生物信息科技公司,众多医疗领域的自动化工程师和科技人才会转型到生物传感器相关的物联网公司。

 

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