摘要：尽管癌症研究和护理从操纵和研究生命系统的能力革命性进步中受益，但该领域因缺乏协同作用而受到限制，无法利用工程方法的力量。癌症工程是生物医学工程的一个新兴子领域，它将工程学和癌症生物学统一起来，以更好地理解、诊断和治疗癌症。我们强调了癌症工程的独特挑战，创建专门的中心和部门的重要性，这些中心和部门促进了转化合作，以及教育方法，以装备新一代科学家，他们拥有工程专业知识和对癌症生物学的基本理解，以转变临床癌症护理。
生物医学工程是一个广泛而多样化的领域，它应用工程方法来解决生物学和医学中的挑战。正如癌症的独特特性催生了癌症生物学及其标志一样，这些独特特性也导致了癌症工程学的兴起——这是生物医学工程的一个新领域，专门解决癌症生物学带来的特定挑战。例如，细胞代谢的偏差、逃避免疫反应和对细胞死亡的抵抗力，这些都需要在测量、建模和干预方面有独特的需求，这就需要在癌症成像、药物输送以及蛋白质、细胞和组织工程方面的创新，所有这些都包含在癌症工程的范畴内。一个专门的称谓，如“癌症工程”，可以帮助建立一个由生物学家、工程师和临床医生组成的社区，以加速这些和其他急需的进步，提供更精确、针对性的癌症护理。然而，理解癌症工程的概念对于在工程和医疗中心内适当分配资源以及为新一代科学家创造量身定制的培训计划是必要的。虽然对这个领域的详尽描述远远超出了这项工作的范围，但我们提供了癌症工程内一些重点领域的精选示例，以说明它与其他工程分支的不同；此外，我们讨论了指定的癌症工程中心和部门的需求和出现，并对未来的教育和培训方法提出了展望，以团结和加强这个新兴领域（图1）。
图1. 癌症工程要素的示意图，这些要素建立在癌症生物学的需求和独特特征之上
尽管癌症生物学是庞大而复杂的，但几种生物学偏差定义了其关键特征，通常被称为癌症的标志。1我们提议，正如癌症的标志框定了癌症生物学领域一样，针对这些标志的专注工程方法塑造了新兴的癌症工程领域。鉴于这个新领域的有前途的兴起，我们主张建立专门的癌症工程中心和部门。这样的空间在医生、生物学家和工程师之间创造了协作协同作用，这将彻底改变临床相关技术的创新，为癌症患者带来底线结果。使用BioRender.com创建。
1.癌症工程的一瞥：重点领域和癌症特定挑战
1.1.癌症成像
癌症成像技术通常分为两类。在一类中，癌症检测基于受影响组织的物质属性变化；X射线成像、超声和磁共振成像（MRI）就是这样的方法的例子。在第二类中，癌症的检测基于异常的生物功能。例如，正电子发射断层扫描（PET）识别具有高糖酵解活性的区域，这是癌症的特征，而磁共振波谱（MRS）检测和定量癌症中涉及的代谢物的存在和反应速率。今天，两类成像方式的组合很常见，包括PET-MR和光声成像。通常，当使用这种组合时，一种成像方式用于基于组织成分的变化定位癌组织，另一种用于识别功能性恶性活动。此外，一种称为“治疗诊断学”的强大现代方法，将治疗和诊断成像结合起来，使用示踪剂既定位恶性组织，又向其输送治疗剂。
癌症成像的目标和挑战与其他形式的生物医学成像不同，这是由于癌症的独特生物学。成像肿瘤促进过程，如血管生成，以及肿瘤微环境的独特方面，面临独特的挑战。失调的代谢，一个已确立的癌症标志，创造了对分子成像技术的需求，这些技术特别利用与癌症相关的代谢途径。专注于创建针对癌症特定生物现象的成像工具和方式的工程努力是癌症工程的要素。成功的癌症成像项目为非侵入性诊断、个性化医疗和阐明癌症复杂代谢提供了急需的机会。
1.2.微技术和纳米技术
纳米和微米技术的设计已经展示了在动物模型、生物分析检测和药物输送领域的激动人心的发展潜力。例如，已经开发了微流体装置，用于肿瘤微环境的先进体外模型。这些装置使得组织建模的精度和复杂性增加，例如，在剪切应力下、具有完整血管系统和良好定义的营养和氧梯度的组织。微流体学还使得多重化成为可能，以实现药物和药物靶标的高通量筛选方法。
纳米传感器和微流体方法被用来开发生物分析研究工具和诊断工具。纳米传感器已在活细胞和体内用于测量生物分析物以及疾病过程，如自噬。微流体学可以用于量化循环肿瘤细胞和细胞外囊泡以进行诊断。纳米传感器阵列和流体装置可以测量蛋白质和核酸生物标志物，并使液体活检评估整个疾病状态成为可能。
纳米药物输送平台已经使多种药物在临床上得以发展，包括脂质体药物和RNA疫苗，它们将越来越多地被用于开发新的癌症治疗和预防药物。正在开发越来越针对性的系统，以实现药物的精确定位，大大提高其效果并减少非肿瘤组织中的毒性。在癌症免疫疗法中，正在开发用于在患者体内原位产生嵌合抗原受体（CAR）T细胞的纳米颗粒。已经进入临床的癌症疫苗能够输送mRNA，使身体能够识别肿瘤新抗原。
1.3.遗传、细胞和组织工程
有两条广泛的方法可以针对癌细胞以优化治疗效果：增强癌细胞对药物治疗或免疫反应的敏感性，以及增强免疫反应更有效地定位和摧毁癌细胞。遗传和细胞工程解决了这两种方法。基因可以被定制以抑制癌症特有的过程，如无限制的增殖，然后插入癌细胞以减少或完全根除恶性行为。另一方面，免疫细胞可以通过基因改造来更有效地针对癌细胞，如在增强的CAR-T细胞疗法中所做的那样。免疫细胞也可以以其他方式增强，如癌症疫苗。这些疫苗被设计成以可以刺激和训练免疫反应的方式呈现癌症特异性抗原。上述方法的一个重要挑战是研究体内基因编辑的复杂性，在那里进行真正受控的实验几乎是不可能的。组织工程部分解决了这一挑战，通过创建尽可能忠实地复制体内行为的肿瘤模型。类器官和器官芯片技术旨在模仿真实组织的异质性和复杂性，同时创造一个更受控的环境来测试基因改造并评估对治疗的反应。
独特的癌症特征，如无控制的增殖、逃避免疫反应和对细胞死亡的抵抗力，促使上述在遗传、细胞和组织工程方面的努力。这些和其他生物学特征的特殊性需要创造性的工程解决方案来对抗导致癌症的异常生物学。这些创造性的、跨学科的工程解决方案，特别是当它们导致对患者护理的新方法时，是癌症工程的核心部分。
1.4.综合计算方法
鉴于癌症的多样性和多面性，收集到的数据是庞大而复杂的。这种数据获取在实验室环境中可以是广泛的和多参数的，有助于我们理解基本过程，以及现在在人类中大规模进行。像cbioportal这样的资源提供了对这些数据的独特访问，为发现打开了一扇窗口。机器学习和大语言模型等计算技术的兴起，为在寻找相关性和线索的过程中高效筛选巨大的多组学数据集提供了有希望的机会。虽然个别研究人员通常专注于收集他们特定领域的数据，计算方法也可以用来整合不同类型的数据并识别总体模式。此外，在临床环境中，计算工具可以专注于个别患者的特定生物学特征，并帮助制定个性化治疗计划。预测建模的新方法已经显示出阐明肿瘤进展和药物反应的希望。面向发现的计算工具也帮助优化药物设计和揭示癌症进化的遗传基础。随着图像识别机器学习算法的不断改进，它们在高效准确地读取、分割和解释放射学数据方面的潜力越来越大。
虽然计算的应用范围很广，几乎涵盖了科学和工业的每个领域，但这些工具在癌症研究中的需求是独特的。癌症的无与伦比的复杂性在确定哪些数据最相关以及哪些模型具有最大的预测能力方面提出了独特的挑战。为癌症中常见的数据类型专门开发的计算工具可以提供有希望的结果。此外，随着更多的成像和免疫工程技术开发，产生了更多的数据，以至于适当的数据分析可能成为瓶颈。特别是在这种情况下，为肿瘤学应用设计的计算工具将成为对抗癌症的重要部分。最终，计算癌症工程将从基础生物学到个性化治疗提供见解。
2.专门的癌症工程中心和部门
生物工程项目正在激增，出现了多个专注于癌症工程的中心，传统地设在更大的工程学院内。我们认为，一个更有说服力的未来模型需要癌症工程，像癌症生物学一样，被设在促进与工程学之外学科紧密合作的环境中。必须将工程师与生物学家、化学家和其他基础科学家以及必不可少的、在多学科肿瘤委员会上可以找到的各种医生（肿瘤学家、放射肿瘤学家、放射科专家等）聚集在一起。靠近肿瘤学强烈代表的医院为癌症工程研究人员提供了对临床需求和转化研究问题的至关重要的见解。美国的几个中心已经解决了这种类型的整合，利用他们现有的基础设施和合作伙伴关系。例如，俄亥俄州立大学癌症工程中心紧邻詹姆斯癌症医院。加州大学圣地亚哥分校的癌症工程中心位于加州大学圣地亚哥分校健康中心的摩尔斯癌症中心旁边。在麻省理工学院，科赫研究所与达纳法伯癌症研究所建立了一个桥梁项目，以促进工程在癌症医院的转化。其他具有类似目标的以工程为中心的中心已经将自己定位在乔治华盛顿大学、伊利诺伊大学香槟分校、德克萨斯A&M大学、亚利桑那大学和其他几个地方的癌症医院附近。
将癌症生物学家和工程师聚集在一个癌症工程伞下的尝试也在美国之外进行。在英国，帝国理工学院与癌症研究所合作创建了一个融合科学中心。它旨在将工程师、基础科学家和医学研究人员聚集在一起，共同应对癌症挑战。帝国理工学院还创建了一个癌症技术网络，以在工程师、物理科学家和临床医生之间形成合作。在全球范围内，国际原子能机构将日本量子科学与技术国家研究所重新指定为合作中心，以促进与放射肿瘤学、分子成像、核医学和其他相关领域的科学家的合作。除了机构和政府机构努力将工程和癌症医学联系起来，数十家生物技术公司已经出现，利用这种合作并在全球开发新技术。
尽管癌症工程中心已经被安置在其他部门和学院的接口上，但要真正推动这个领域向前发展，像Flores和Sawyer一样，我们预计专门的癌症工程部门是必不可少的。在癌症中心内直接设立的部门，致力于单一学科，激发了宝贵的社区意识，并为创建专门的研讨会、会议和研究杂志打开了大门。此外，部门可以招聘专门的教员，为这个新兴学科提供关键的群体，为基本科学家和临床医生之间提供联系。反过来，这些发展将导致更丰富的合作和加速癌症相关技术的创新，并将转变癌症研究。
3.专注且独特的癌症工程教育
教育的目标有很多，其中一个目标应该是让受训者致力于为特定领域做出贡献。随着癌症工程逐渐成为一个致力于创新癌症研究和护理工具的新领域，该领域的培训也应该相应发展。在上一节描述的环境中，研究科学家与临床医生直接且频繁地互动，学生不仅有机会学习工程和生物学，还有机会学习临床转化。根据他们的研究目标，他们可以与了解癌症护理复杂性和当前最紧迫临床需求的肿瘤学家紧密合作。
由于癌症工程本质上是跨学科的，该领域的培训应该将癌症生物学的基础知识以及相关的工程、物理和化学原理编织在一起。这样一个综合项目的益处在于，癌症生物学的挑战与解决它们的工程工具同时教授，这训练学生根据临床需求设计解决方案。这种培训的一个例子是最近在Gerstner Sloan Kettering宣布的新癌症工程博士项目，这是在纪念斯隆凯特琳（MSK）癌症中心内设立的研究生院。该项目将培训博士生和MD-PhD学生在他们的博士阶段开发新技术，并使用工程技术解决生物学的基本问题，以更好地理解、诊断和治疗癌症。该项目的课程是独特的，因为它在专门的课程中整合了工程和癌症生物学的元素。例如，基础课程结合了药代动力学、微制造和个性化癌症治疗的原理。癌症成像课程包括学习基本成像原理，但随后专注于如何将这些原理定制以针对特定的癌症生物学机制。达特茅斯癌症中心还有一个特殊的培训项目，称为癌症转化工程。在那里，工程学生有机会跟随肿瘤外科医生，为新设备开发想法。同样，博士生也有机会参与医学物理学并获得相应的认证。伊利诺伊大学癌症中心是为数不多的主要由工程师领导的癌症中心之一，为本科生、博士生和博士后学员提供了几个独特的教育机会。特别是，癌症学者计划为工程和物理科学学生提供了将他们的培训应用于癌症问题的机会，从大一开始。将来，将癌症工程培训的方面纳入专注于肿瘤学的临床研究员和住院医生项目可能也是有益的。
4.临床转化和未来
虽然一些通用工程项目可能主要是学术性质的，但我们认为癌症工程的努力应该完全根植于临床需求。我们的愿景是，癌症工程领域不仅将帮助更好地理解癌症生物学，而且还将产生改善癌症检测的准确性和速度的新技术，以及提高肿瘤治疗的精确性和有效性。反过来，我们设想这些技术将被商业化并在诊所中部署以供常规使用。因此，投资癌症工程中心的机构将从改善患者护理以及知识产权的开发中受益。
我们预计，创建嵌入或与癌症医院紧密联系的癌症工程中心和部门，以及在该领域发展创新培训，将彻底改变我们应对癌症挑战的方式，创造未来科学家的新领域，并加速癌症护理中急需的进步。
识别微信二维码，添加生物制品圈小编，符合条件者即可加入
本公众号所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源和作者，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系([email protected])，我们将立即进行删除处理。所有文章仅代表作者观点，不代表本站立场。
