分子医学力推健康中国建设

谭蔚泓 易娅莎 张慧

肆虐全球的新冠肺炎疫情给无数家庭和个人带来了无法抹去的伤痛，也深刻影响了社会运转和经济发展。疫情之下，“健康中国”战略的重要性不言而喻， 其艰难性更加彰显，我国医疗卫生事业的发展挑战与机遇并存。以科技创新驱动医学发展，助力“健康中国”伟大战略目标实现，是广大科技工作者尤其是医学科技工作者肩负的神圣使命。

攻克疾病离不开科学技术的力量，随着人类对疾病本质认识的不断深入，从分子角度认识、诊断和治疗疾病是医学发展的必然趋势，分子医学的时代已经来临。“确保人民群众生命安全和身体健康，是我们党治国理政的一项重大任务”，探索和发展分子医学，则是科研工作者保障人民生命健康、推动“健康中国”建设的重要途径。

我国医疗卫生事业发展的“痛点”与未来

新中国成立以来，我国医疗卫生事业发展成就显著，人民健康水平不断提高。随着时代的发展，新的环境和生活方式也给人类健康带来了很多新问题，医疗卫生领域仍面临诸多新挑战。在我国，威胁人民生命健康的主要疾病除了急性传染病、意外伤害等，更多的还有慢性非传染病。以癌症为例，随着人民平均寿命的延长，其患病概率也随之升高。2019年发表在《中华肿瘤杂志》上的一篇报告指出，我国每年恶性肿瘤的医疗支出在2 200亿元以上，为国家带来了沉重的医疗及经济负担。我国的医疗卫生事业还有以下几个显著“痛点”：1）创新药物研发能力不足。我国药物市场仍大部分被仿制药和进口药占据，缺乏自主研发的新药。在一些药物研发关键技术上仍面临“卡脖子”难题，对全球医药产业的创新性贡献较少。2）缺乏自主研发的高端医疗设备。我国是世界第三大医疗器械市场，但国产品牌占比低，近80%的高端医疗设备市场长期被外资公司把控，高昂的进口设备购置和维护费用给医疗卫生机构造成较大的经济负担，也增加了患者的就医成本。3）医疗资源不均等，城乡差别巨大。优质的医疗资源集中在一线城市，基层乡镇设施条件相对落后，这不仅对人民健康造成威胁，也进一步加剧了发展的不平衡，阻碍社会进步。完善基层医疗条件，建设分级诊疗制度任重道远。4）预防医学发展相对落后。“圣人不治已病治未病，不治已乱治未乱”，对疾病从治疗转向预防是医学发展的趋势。从新冠疫情暴发以来，我们可以看到，全球范围内都致力于开发有效的疫苗，这对控制疫情传播能起到关键性作用，也体现了“治未病”的重要意义所在。

分子角度看生命——人体是一部分子机器

医学发展已有数千年的历史，人类对自身的认识经历了从宏观到微观的进化。在解剖学诞生之前，我们对人体的认知停留在形貌、轮廓等外在整体层面。解剖学的出现将对人体的认识带入了器官层面，显微镜的发现和使用又使人们进一步认识了细胞，从而奠定了现代医学的基础。20世纪50年代以来，随着对DNA、蛋白质、脂质等生物大分子的研究和解析，人类对人体和生命活动的认识逐步进入到分子水平。

分子是保留物质性质的最小单元。人的身体由不计其数的形状、大小和生理功能各异的分子通过有序排列构成，每一个分子都受到其他分子的严格调控，同时也调控着其他分子，人的生长发育和生老病死都是由这些分子的状况和相互作用决定的。从这个角度看，人体是一部精密运转的“分子机器”，每一项生命活动都有其分子基础。人的情绪由分子调控，当感受到幸福时，其实是多巴胺、血清素、催产素、内啡肽四种化学分子在发挥作用。人的感觉的源头也是分子，比如剧烈运动后感受到肌肉酸痛，是由于代谢物质乳酸分子的堆积。

从分子水平认识你自己

同样，我们也可以从分子的角度看疾病，单个分子改变以及分子群体效应异常都会导致疾病的发生和发展。遗传病的发生是由于基因分子出现异常，例如镰刀型细胞贫血病，是由于编码血红蛋白的基因突变，导致β-肽链第6位氨基酸谷氨酸被缬氨酸所代替，构成镰状血红蛋白，取代了正常血红蛋白。镰变的红细胞可发生溶血，堵塞毛细血管，引发疾病症状。诺贝尔化学奖获得者莱纳斯•鲍林（Linus Carl Pauling）通过揭示镰刀型细胞贫血病的机制，首先提出了“分子疾病”的概念，也宣告人类从分子角度来审视疾病的时代已来临。

分子医学——现代医学发展的必然趋势

检测和纠正分子水平的变化是疾病诊疗的基础

分子医学是分子科学发展下催生的新学科，目的是在分子水平上解析疾病发生发展的机制，在分子水平上早期和精准诊断疾病，在分子水平上有效治疗疾病，在分子水平预防疾病并对疾病进行预测。化学家与分子科学家将化学分子与医学、生物、物理、机械工程等多个学科相结合，诞生了分子医学这一高度交叉的学科，即从化学的角度、分子的层面重新审视疾病并提出全新诊疗方案的前沿学科。

分子医学在疾病诊疗、药物研发、疾病预防等方面已有多种应用。比如：生活中常见的血糖仪，便是利用血液中的葡萄糖分子与酶反应产生的电子，通过电流计读出，再转化成葡萄糖浓度；外科医生做手术时，常用到荧光染料分子作为信号探针，使医生对病人解剖结构和手术器械的位置一目了然，从而使得手术更快捷精确；预防传染病用的疫苗，是将病原微生物及其代谢产物分子，经过人工减毒、灭活等方法制成，引发人体内的免疫反应。我们再通过两个典型案例来阐释一下，究竟从分子医学的角度如何来理解疾病、诊断疾病和治疗疾病？

新冠病毒感染中的分子医学首先我们从分子角度来理解新冠病毒的致病机制。新冠病毒由内部基因组（一条RNA链）和外壳包膜组成，包膜上存在刺突蛋白。病毒表面的关键蛋白——S蛋白与人体细胞膜上的ACE2受体相互作用，并与细胞膜发生膜融合进入细胞，利用细胞内的物质不断复制病毒基因组，直至细胞资源耗尽，走向灭亡。新冠病毒S蛋白与ACE2受体的高亲和力（比SARS高10～20倍）是其高传染性的原因。

分子层面的理解：新冠病毒致病性的分子机制

对新冠病毒的检测方法也是基于分子识别。核酸检测是基于对病毒基因组RNA的检测，抗原检测是对病毒表面蛋白的检测，抗体检测则是检测人体为了抵抗病原体而产生的抗体。对新冠病毒感染的有效预防同样离不开分子医学技术，其中疫情以来最受瞩目的就是mRNA疫苗。mRNA是人体内天然存在的一类分子，可以翻译表达产生蛋白质。mRNA疫苗就是将含有编码病毒蛋白的mRNA递送入体内，表达出相应的抗原蛋白，从而激活体内的免疫反应，达到对疾病的预防作用。mRNA疫苗的保护率高、安全性好、更新效率高、有广阔的应用前景。疫情当前，mRNA疫苗技术是急需攻克的难题，mRNA的高效递送与释放是其中一大技术挑战，现在我所在的科研攻关团队就在针对这一重大技术瓶颈寻求突破。我们团队现已获批4项mRNA递送载体专利技术，并与艾美、斯微等多家疫苗龙头企业开展合作。

核酸适体在疾病诊疗中的应用分子医学的基础是分子识别，即分子探针对疾病标志物的特异性识别。自然存在和化学家创造的分子均可以用作分子识别工具，包括抗体、多肽、核酸和小分子等。核酸适体就是一类人工合成的分子识别工具，它经体外筛选得到的，由15～60个碱基组成，可以高亲和力地特异性识别离子、蛋白质、核酸、细胞等多种靶标，被称为“化学家的抗体”。核酸适体的识别能力可以应用于生物体内，为临床诊断和精准药物治疗提供了革命性的新工具。

核酸适体可以用来对细胞膜表面进行全面的分子解析。癌细胞膜表面有丰富的生物标志物，其表面的蛋白丰度、分布和构象与正常细胞都存在差异，因此细胞膜表面特征可以用于疾病诊断。核酸适体的特异性识别能力结合高通量测序技术，可以表征细胞膜的分子特征，实现单细胞表面分子图谱数字化，是实现肿瘤分子分型和多参数精准诊疗的基础。

核酸适体可以应用于分子靶向抗肿瘤药物。传统化疗药物在杀伤肿瘤细胞的同时，不可避免地会造成体内很多正常细胞的“陪葬”，引起“两败俱伤”。分子靶向药物特异性识别癌变部位，特异性杀伤肿瘤细胞，不会波及正常组织细胞，因此被称为“生物导弹”。 核酸适体-药物偶联物（Aptamer-drug Conjugates, ApDCs）将对癌变靶点有特异性识别能力的核酸适体与细胞毒性药物相偶联，赋予传统药物以靶向能力，已在多种癌症的靶向治疗中显示出应用潜力。

核酸适体可以用于分子影像诊疗。将核酸适体与核素相连接，实现对特定癌变部位生物标志物的成像，可以在人体内特异性“点亮”肿瘤细胞。我们团队目前已在多例患者体内进行临床试验，成功点亮肿瘤表面标志物高表达区域，证明了核酸适体-核素偶联探针的安全性及成像效果，展现出良好的临床应用可能性。

分子医学开启健康新未来

我们的身体中有几十万亿个细胞，细胞中的分子每时每刻都在发生各种生化反应，正是这些生化反应的正常运行使生命得以正常延续，但这些反应也会因为各种原因产生错误或遇到阻碍，这是人类病痛与衰亡的主要根源。因此，人类疾病的本质最终可以从分子的变化或分子间的相互关系中找到答案，而战胜疾病的武器同样蕴含在分子中。分子医学的未来发展包括但不限于以下几个重要方向：

人脸识别式诊疗对疾病的精准诊断基于对疾病标志物的检测，但目前的诊断技术很难快速精准地对疾病进行分子分型。今天广泛应用的“人脸识别”技术，可以在手机解锁的瞬间快速收集并处理分析人脸的多维参数。人脸识别式诊疗即对多个疾病标志物进行同时检测，并且对疾病标志物之间的相互关联进行解析，用多参数共同定义疾病的分型与进展情况。

个性化智能化分子诊断不同癌症病人，或同一病人不同病灶及不同发病时期的分子突变存在很大差异，这种分子水平上的个体差异性对现有诊疗技术的普适性和精准性提出挑战，未来的分子诊断必然要向个性化智能化方向发展。

大数据与人工智能通过对蛋白结构和药物分子结构的解析，以及对分子相互作用的解析，将人工智能应用于药物筛选，可以大大缩短药物发现的时间。利用人工智能和大数据科学对大量疾病标志物的信息进行解析，可以实现高效疾病诊疗。

人造细胞和人造器官的分子合成利用分子合成和分子网络，模拟生命现象，构建人工细胞，对于理解生命与基因的奥秘具有重要意义。进一步可以构建人造器官，用于危重疾病治疗中的器官移植，为生命接力。

分子疫苗用化学反应连接不同分子元素以获得各种功能的分子和材料，构建高效、低成本、精准、多样性的分子疫苗用于疾病预防。

中华民族自古就有对平安健康的追求和对松鹤延年的期盼。2016年，国家更是提出《“健康中国2030”规划纲要》，计划用15年时间全方位提高全民健康水平，以分子医学为代表的科技力量在达成这一使命的道路上责无旁贷。

本文根据笔者在上海市科学技术普及志愿者协会主办的“海上科普论坛”上的报告撰写而成