这两年，在日本，人类进入100岁时代成为热点话题。日本其生物科技技术的领先地位，是其成为长寿之国的重要原因。这里，特别选取了日经BP资深编辑整理的，影响人类生命的13项黑科技，以飨读者。本文整理自《黑科技：驱动世界的100项技术》一书，东方出版社授权发布。

一、再生医疗

四项产品进入实用阶段，研发项目数量众多

再生医疗是利用正常的细胞组织治疗因生病、受损而失去功能的脏器和人体组织的技术。再生医疗大体可以分为培养表皮、软骨、片状心肌细胞，细胞重组，向人体注射细胞、使用细胞药物等几种方法。目前获得日本医药品医疗设备法律（《药机法》）批准、纳入保险治疗范畴的再生医疗产品共有四种。其中，利用细胞再生、重组等组织工程学技术的产品共有三种，分别是J-TEC（Japan Tissue Engineering）公司推出的体外培养患者表皮细胞切片、用于治疗烧伤的“Jace”产品；培养患者的软骨细胞，包入高分子凝胶后移植到关节的“Jack”产品；泰尔茂（TERUMO CORPORATION）公司推出的将严重心衰患者的肌肉细胞切片、移植到心脏表面的“Heart Sheet”产品等。

细胞药物方面，JCR制药（JCR Pharmaceticals）公司推出了“TEMCELL HS注”产品。将骨髓间充质干细胞作为有效成分，可以有效控制白血病造血干细胞移植后产生的免疫反应。

无论是风险企业还是大型制药企业，日本国内再生医疗产品的研发技术迅速发展。

二、免疫检查点抑制剂

阻断癌细胞回避免疫体系

 “免疫检查点抑制剂”帮助免疫T细胞识别人体免疫反应的漏网癌细胞，利用T细胞攻击癌细胞进而达到治疗目的。

人体免疫系统可以识别和排除异物。免疫系统的一部分，一种名为“细胞毒性T细胞”的免疫细胞主要负责识别和攻击异物。当然人体免疫系统为了避免免疫过度攻击自体细胞，所以预留了抑制免疫反应的通路，这就是“免疫检查点”。

免疫检查点抑制剂就是阻碍免疫检查点，刺激细胞毒性T细胞攻击癌细胞的新型抗癌药物。癌细胞十分狡猾，会利用免疫检查点的机制巧妙避开免疫T细胞的攻击。

代表性的免疫检查点抑制剂有小野药品工业（ONO PHARMACEUTI-CAL）的“Opdivo”、美国默克集团（Merck）的MSD的“Keytruda”等。Opdivo和Keytruda等药物与细胞毒性T细胞表面的“PD1”免疫检查点分子结合，阻碍部分癌细胞的PDL1和PD1的结合，也就解除了免疫反应的限制。

Opdivo等药物在部分癌症治疗中发挥了令人惊叹的效果，各家公司也纷纷加入免疫检查点抑制剂的开发阵营，竞争愈发激烈。与Opdivo类似，除了与PD1分子结合外，也有与PDL1结合，或者与其他免疫检查点分子结合的药物陆续研发成功。

三、溶瘤病毒

溶瘤病毒制剂登场

癌细胞感染上溶瘤病毒后，病毒会迅速繁殖并最终溶解癌细胞。癌细胞被溶解、破坏后，溶瘤病毒会扩散到细胞外，继续感染下一个癌细胞。这也会激活人体自身的免疫功能。如果与热门的Opdivo等癌症治疗药物一起使用，治疗将取得事半功倍的效果。

溶瘤病毒可以改变、重配多种病毒的基因，比如导致感冒的腺病毒，导致单纯性疱疹感染症的疱疹病毒等。这些特性可以防止癌细胞以外的细胞感染病毒，即使感染也很难繁殖。

2015年，美国安进（Amgen）公司的IMLYGIC正式获得审批。此后多家大型制药公司纷纷出手，以获得风险企业研发的药品技术和销售权。

日本也在研发相关技术。Oncolys BioPharma公司在溶瘤病毒研究方面取得了不菲成绩，研发出了Telomelysin，并于2017年在日本招募食道癌患者开始临床试验。

四、嵌合抗原受体T细胞免疫疗法

（CART疗法）：特异杀伤细胞完灭癌症

嵌合抗原受体T细胞免疫疗法（CART疗法）是将免疫细胞改造成人为攻击型细胞，强力摧毁癌细胞的细胞疗法。

CART疗法的主流疗法利用了癌症患者自身的T细胞。具体来说，首先从癌症患者的血液中分离出一种名为“T细胞”（图中蓝色细胞）的免疫细胞，在T细胞中嵌入“嵌合抗原受体”（图3-4上橙色部分）基因。嵌入成分的T细胞只对癌细胞产生反应，具有攻击癌细胞的免疫细胞功能。增加“超强攻击型”T细胞的数量后重新输入患者体内。此时回到患者体内的超攻击型T细胞充分发挥癌细胞的攻击作用，同时增强细胞活性并不断繁殖，保证长期的高度攻击能力。

2017年8月末，瑞士诺华公司（Novartis）研发的“tisagenlecleucel”嵌合抗原受体T细胞疗法（CART疗法）首次被美国认可。

接受CART疗法治疗后，大部分患者的病情得到控制。诺华公司以一种危及生命的白血病为实验对象，以癌细胞共通的记号作为目标，使用CART疗法进行治疗，用药3个月之后发现，83%的患者体内癌细胞几乎全部消失。

此外，恶性淋巴瘤治疗方面，Kite制药（Kite Pharma）风险企业已经向美国递交了CART疗法的认定申请。日本国内方面，诺华日本法人公司诺华制药，与宝日医生物技术及第一三共公司（Daiichi Sankyo Company）共同研发重度白血病、恶性淋巴瘤方面的CART疗法应用。与超强攻击效果相伴生的是CART疗法的副作用。应用于临床后，如何快速发现、应对副作用也成为需要解决的课题。此外，现阶段的CART疗法全部是“量身定做”，生产和配送成本高昂。相关方今后不仅要考虑如何降低成本，还应该从社会层面研究医疗费的支付难题。

五、癌症荧光喷雾

辅助术中迅速诊断

在可能患癌的部位轻轻一喷，几分钟之内只有癌细胞部位会发光，这就是“癌症荧光喷雾”。不久的将来，癌症荧光喷雾作为辅助内镜检查和手术的利器，有可能出现在医疗现场。

为了将这种喷雾应用于乳腺癌“术中快速病理诊断”技术中，2018年获得药品批准，目前癌症荧光喷雾的性能评审工作已经全面开展。食道癌的内镜检查、手术安全性测试工作也拉开序幕。

 这种喷雾的学名是“荧光探针”，由东京大学研究生院药学研究科、医学系医学研究科的浦野泰照教授与美国国立卫生研究所（NIH）小林久隆主任研究员共同开发。试剂与某些蛋白分解酶反应后就会发出荧光，其主要成分是有机小分子。

荧光探针是一种结合了氨基酸和若丹明类荧光分子的试剂，正常状态下无色无荧光。试剂遇到癌细胞表面的蛋白分解酶后，加水分解的荧光分子马上从氨基酸中游离出来，进入癌细胞内部并发出荧光。在疑似癌症的地方只要喷上不到1毫克的喷雾，几分钟内患癌之处就会亮起来。

该试剂临床研究的重要领域就是乳腺癌。为了避免病灶残留，乳腺癌手术过程中需要现场制作切片（切除断面）标本，检测癌细胞是否彻底清除，这就是“术中快速病理诊断”。荧光探针技术可以迅速做出诊断，是减轻外科、病理医生负担的重要手段。

迄今为止，荧光探针技术在验证中取得了90%以上的准确率，可以明确识别乳腺癌。以济生会福冈综合医院（福冈市）为中心，多所机构正在对乳腺癌进行临床研究，并收集一整年的数据。按照要求，向医药品医疗器械综合机构（Pharmaceuticals and Medical Devices Agency，PMDA）申请进行药物临床试验时，必须提交相关数据。快的话荧光探针将在2018年度提出药品准入申请。

在乳腺癌手术中，为了保护乳房形态完整，很多患者都选择了部分切除，但是部分切除法也增加了癌症残留的风险。为了检查有无残留，所以手术中需要进行“术中迅速病理诊断”，但是不少医疗机构都面临着病理医生不足、业务量大等问题，很难彻底实行。

六、体内医院

智能纳米技术攻击癌细胞

“体内医院”是人体自身在必要场合、必要时间进行诊断和治疗的技术。

被称为“智能纳米机器”的纳米分子在体内游走，对癌症等疾病进行现场诊断和治疗。纳米医疗项目中心（Innovation Center of Nano Medicine）以“体内医院”为主要目标，该项目已经入选日本文部科学省创新产出项目据点COINS计划，中心主任是片冈一则。

为了实现智能纳米机器技术，片冈等人开发出了靶向攻击癌症的药品释放系统。利用亲水性和疏水性高分子作为组织，用纳米胶囊（高分子胶束）包裹药剂直达患处进行治疗。

包裹抗癌药的高分子胶束开发凝结了众人心血，需要把高分子胶束的直径设计成病毒大小的30纳米和100纳米，只有这样才能保证其不会进入正常组织的血管间隙，但能进入癌症组织血管特有的大间距缝隙。只有这样才能保证对癌症的靶向用药效果。

癌症组织的PH（氢离子指数）值低于正常组织，发生反应后，高分子胶束破损，内部的抗癌药被释放出来。高分子胶束像“特洛伊木马”一样进入癌症组织，发起猛烈进攻。不少企业正在研发包裹抗癌药物的高分子胶束技术，临床试验正在进行中。

包裹抗癌药物的高分子胶束是实现智能纳米机器技术的第一步。第二步，片冈等人正在致力于兼具诊断、治疗效果的药剂研发。成果之一就是“纳米机器造影剂”，它有利于通过MRI（核磁共振成像）可视化检查癌症中恶性、难以治疗的部分。包裹了锰造影剂的纳米粒子在胃酸的作用下，只对癌症特有的环境产生反应，释放造影剂。

片冈认为纳米机器技术的最终目标是收集患者体内的所有生物信息，反馈给内置于体内的芯片，从而完成疾病诊断。可以说这个设想与小行星探测器构造相像，也许未来的哪一天，半个世纪前科幻电影《神奇的旅程》（Fantastic Voyage）中描绘的世界真的会成为现实。

七、虚拟肠镜

取代传统内窥镜，减轻患者负担的癌症检测方法

 “虚拟肠镜”利用多层螺旋CT（计算机断层摄影）拍摄大肠，通过计算机处理制作大肠的三维图像，帮助医生发现息肉、癌症病变，也被称作“CT结肠镜”。

虚拟肠镜使用16排以上的多层CT短时间内精确拍摄大肠的蠕动情况，这种技术已经开始在临床使用。多层CT拍摄的无数薄片横断图像组合成三维图像后，几乎与内窥镜的观察效果相差无几，所以这种技术也被称为“虚拟内窥镜”。

经过临床观察研究，虚拟肠镜技术在找出病变的灵敏度、特异度方面与内窥镜检查不分伯仲，不少深度体检机构也开始引入虚拟肠镜检查。大肠褶皱多且形状弯曲，使用虚拟肠镜之后，即使是隐藏在褶皱内侧的病变也可以准确发现。

CT检查过程中，少量的放射线辐射是不可避免的，据日本国立癌症研究中心介绍，模拟整个虚拟肠镜检查过程后，二体位的辐射量共计为2-3mSv，是灌肠X射线检测辐射量（10-12mSv）的约1/5。

目前的大肠癌检查中，首先需要对患者进行大便潜血试验，确定为阳性后再进行大肠内窥镜检查。考虑到服用泻药、事先处理过程的复杂和羞耻心等众多因素，女性对内窥镜检测往往敬而远之。而且实际检测过程中，真正需要检测的人群只有三成左右。不仅如此，检查时内窥镜从肛门插入再拔出，隐藏在大肠褶皱内侧的隐藏病变很难被发现。

八、肠道细菌疗法

肠道细菌参与神经疑难疾病、心脏疾病治疗

肠道细菌疗法是一种向大肠注入肠道菌群，调整肠部环境，治疗和预防疾病的治疗方法。有研究报告表明，肠道菌群中的正常菌群紊乱是腹泻、便秘、肥胖的主要原因。最近又有研究结果证明，肠道菌群不仅会导致溃疡性大肠炎、过敏性肠炎等疑难疾病，还会诱发神经系统疾病、冠状动脉疾病等多种疾病。

肠内细菌的注入分为以下几种：粪便的肠内移植，肠内缺少细菌的胶囊移植、治疗肠部菌群疾病的投药等。

日本国内多家医疗机构就粪便移植疗法进行临床试验和研究，研究的对象是容易感染疑难肠道传染病、溃疡性大肠炎的老年住院患者。其中顺天堂大学的研究小组主要对溃疡性大肠炎患者进行粪便移植和抗菌药组合治疗方法的研究。服用抗菌药物后，肠内菌群的数量大幅减少，而移植粪便后，肠内菌群得到极大改善。

治疗过程中，抗菌药服用完毕后，在当日采集的患者粪便中加入200克左右的生理盐水，制作400毫升左右的溶液，将溶液注入阑尾。移植完成6小时内，用大肠内窥镜检查确认。

迄今为止的临床研究中，约八成完成治疗的患者症状明显改善，研究者对肠道菌群进行分析后发现，与无效菌群相比，有效菌群的主要构成细菌——“拟杆菌门”比例大幅增加，说明患者肠内的菌群逐渐稳定。

顺天堂大学研究小组今后计划开展克罗恩病的粪便移植和抗菌药组合治疗方法。克隆病患者的肠道菌群十分紊乱。

九、非侵入式血糖持续检测

随时监测患者血糖值变化

“非侵入式血糖持续检测”是一种不采血（非侵入式）而直接测定血糖变化的检测手段。该方法在患者腹部、腕部皮下组织安装传感器，通过测定组织间质液的葡萄糖电流转换来模拟血糖数值的上下变动。

2017年1月，患者自己随时测量血糖的“FreeStyle Libre”产品问世，9月纳入日本保险范畴。该产品由美国雅培公司日本分公司负责销售。使用“FreeStyle Libre”可以不采血而直接实时测定14天的血糖数据。“FreeStyle Libre”产品的特征是无需医生，患者自己来管理机器。传感器装入人体后，患者只要用阅读器接触传感器，马上就可以得知当时的血糖数据，还可以了解血糖值升降情况。这款产品有利于预防低血糖，合理控制饮食、控制血糖上升，还可以提醒用户运动时随机应变，甚至可能改变传统的糖尿病治疗。

在“FreeStyle Libre”上市之前，雅培公司于2016年12月发售了“FreeStyle Libre Pro”产品。这是一款医生专用产品，最长测量时间为14天。有专家表示：“监测时间为两周的情况下，每周可以对药物的服用量和种类进行调整，分析血糖结果后给患者开出最适合的处方。”这款产品优点良多，既可以持续记录患者的血糖变化，又有助于发现患者夜间低血糖情况。

这两款产品都采用了电流波动极小的设计，不需要刺穿手指修正数值。而以前的产品大多需要刺穿指尖采血，是侵入式的检测方法。

十、血管内造影

主动脉壁夹层症状观察成为可能

“血管内造影技术”主要用于心绞痛等心血管疾病的诊断，可以测量动脉粥样硬化的量、分布、形状以及血管内膜有无撕裂等。

近年来，“血管内窥镜检查”发展尤为迅速，还有利用超声波实时观察血管断层图像的“血管内超声波检查（IVUS）”技术。两种技术都不需要X射线检查，所以患者无需担心放射线的影响，也便于医生观察。该技术20世纪90年代开始用于临床，技术革新不断进步。

血管内窥镜检查的一大技术革新来源于大冢控股集团（Otsuka Holdings）旗下的JIMRO公司。该公司在2017年5月发售全新血管内窥镜“angiography IJS 2.2”，新产品采用了3 MOS相机和LED光源，输出图像高清完美。

血管内窥镜的另一种技术革新就是“dualinfusion”，冠动脉自然不用提，就连血液大量流动的主动脉也是清晰可见。新技术有利于医生观察主动脉的细微损伤，比如目前为止很难诊断的主动脉夹层的前兆等。

而IVUS方面，越过血管病变部位直接插入导管，导管尖端搭载了超声波收发装置，可以缓慢拍摄病变部位图像。超声波的频率从过去的40MHz提高到60MHz，分辨率大幅提高、缩短检查时间的新产品也已问世。

高分辨率技术有助于看清血管内壁的粥状动脉硬化分离情况，还可以对改善动脉狭窄的植入支架内膜新生情况轻松做出评价。检查时间短，冠动脉插入时间减少，缺血的风险也极大减轻。

以前诊断心绞痛、心肌梗塞等缺血性心血管疾病时，必须用造影剂填满血管内腔，利用X射线照射进行导管冠动脉造影检查，患者不仅被辐射，还不一定能检查出粥状动脉硬化的形状和发展情况。

十一、基因编辑

几百块钱即可改变基因

使用类似剪刀功能的蛋白质（核酸酶）切断各种生物基因（DNA），基因修复过程中，通过改变DNA序列来修改细胞的遗传因子，或者替换相似的DNA序列，从断处植入从其他生物中取出的DNA序列，这就是基因编辑技术。有了基因编辑技术，人类可以自由改变物种的基因，开发新食品和药物，其在生物领域的应用也在不断拓展。

迄今为止，基因编辑技术历经三代：第一代是“锌指核糖核酸酶（Zinc-Finger Nucleases，ZFN）”技术，第二代是“转录激活因子样效应因子核酸酶（Transcription Activator-Like Effector Nucleases，TALEN）”技术，第三代则是“基因编辑技术（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR/Cas 9）”技术。其中CRISPR/Cas 9技术可以在短时间内完成基因编辑且价格低廉，很快风靡全球。利用CRISPR/Cas 9技术，人类可以改变植物、鱼、线虫、老鼠、猪、猴子、人等各种物种的基因，技术的普遍适用性也加快了其普及的脚步。

不少国家利用CRISPR/Cas 9技术培养转基因动物，进行重组细胞等试验。该技术不仅用于实际生活中，培育了不少优良品种，通过收集物质生产的高小细胞，进行基因治疗等，还在农林水产、化学、医疗等领域全面开花。

举例来说，使用CRISPR/Cas 9技术可以改变抑制肌肉生长的基因，培育出膘肥体壮、食用部位大增的猪、鲷鱼等。另外，去除先天性黑朦（LCA）——一种疑难眼病异常基因的研究也在进行当中。

以前的转基因技术一般是使用放射线照射多个个体，改变个体的基因特性，选出照射后偶然变异、符合要求的个体（突变体），提取相似的DNA序列进行同源重组，嵌入需要导入的遗传片段。

诸如培育转基因的基因敲除小鼠情况下，同源重组的费用需要300万—500万日元，时间1-2年。随着CRISPR/Cas 9技术的登场，费用仅仅需要几千日元，时间也缩短到一个月左右。

十二、新一代小型测序技术

 荒凉野外、宇宙空间轻松低价解析生物遗传信息

“新一代小型测序技术”是高速读取遗传因子、基因组碱基排序的小型装置。

2015年，英国的牛津纳米孔科技（Oxford Nanopore Technologies）公司全球首发了一款名为MinION的产品。MinION只有手掌大小，与个人电脑连接使用。公司免费提供主机，用户只需要购买1千美元1张的一次性传感器即可。因为其个头小巧，一改以往的不便，可以在户外使用。为了在宇宙空间实现水的再利用，美国国家航空航天局（NASA）引进MinION测定水的污染状况。

牛津纳米孔科技公司2017年年末以后会发行更小、更便宜的产品。由于减少了读取基因组（DNA）、核糖核酸（RNA）的传感器的数量，其一次性部分的成本降低了1/3-1/5。放眼全球，不止牛津纳米孔科技公司一家拥有新一代小型测序技术，日本量子生物系统公司（Quantum Biosystems）也在着手研发相关技术，我们期待未来市场更加活跃。

遗传因子携带生物体各种功能的蛋白质信息，生物遗传信息的总体——基因组中存在着无数遗传因子。疑难杂症的成因、新药的研发都离不开对遗传因子和基因组的分析。

生物种类不同，基因组的信息总量也不同。人类基因组大约有30亿对碱基，这样庞大的基因组检测不得不依靠高速读取技术和“新一代小型测序技术”的支持。从众多基因组片段中读取碱基信息，联网搜索读取的片段信息就可以得到原生物的基因组排序。

高速、大量分析数据的技术迅速普及，但是引进的费用需要数千万日元到数亿日元不等，过于昂贵。但是为了增加基因片段信息，对荧光标识进行光学检测，大型的装置又是必不可少的。MinION利用特殊蛋白传感器，测定通过单位DNA、RNA时的电流，进而完成基因解析。因为简化了读取基因的CCD摄像头和激光技术，设备的体积也更加小巧。

十三、冷冻电镜(超低温电子显微镜)

 创新解析蛋白质等生物分子结构

 “冷冻电镜”技术将生物分子等测量物放在零下200摄氏度左右的超低温环境中，利用电子束拍摄图像，通过计算机进行分析，最终获得测量物的微小立体结构。冷冻电镜英文名称Cryo-Electron Microscopy中的“cryo”就是超低温的意思，它自2013年年末迅速获得各界关注。

冷冻电镜的分辨率为1埃米（0.1纳米）——接近单个原子大小，可以对蛋白质等生物分子立体结构进行精确解析。解开生物分子、感染症“元凶”的生物分子构造后，对医药品等的开发大有裨益。如果能解开植物光合作用的分子构造，我们甚至可以人工完成光合作用，从太阳光中合成有机物。

冷冻电镜技术的具体使用步骤如下：首先打断解析对象——蛋白质等生物分子的粒子结构，制作嵌入极限粒子的冰冻样品。每个蛋白质分子约为10纳米大小，冰冻样品可容纳多个粒子。将样品放入冷冻冰境进行观察，一个晚上的时间，设备可以自动拍摄数百张的高分辨率电子显微镜图像。单张图像上拍有数百个粒子，那么一晚时间拍摄的蛋白质粒子总数将超过10万。从中选出几万个完整良好的数据，用计算机进行分析，最终可以获得更详细的立体构造信息。

如果样品品质良好，电镜甚至可以观察到构成分子的原子，观察1周左右可以获得5埃米分辨率的图像，一个月左右就能得到原子模型。

1台冷冻电镜需要1亿—2亿日元的投资配套，不少研究机构、大学、制药化工企业已经陆续引进。冷冻电镜行业较为有名的企业包括日本的日本电子（JEOL）等。

冷冻电镜出现之前，科学家主要通过结晶体X射线衍射分析法解析生物分子的结构。使用X射线照射结晶体后，随着结晶内部密度的不同，X射线会发生衍射，利用物理原理解析晶体的立体结构。结晶越规则，体积越大，得到的立体结构信息就越详细。不过生物分子的高质量结晶很难得到，所以至今还有不少蛋白的立体结构谜团尚未解开，业界也期待不需要结晶体的冷冻电镜解析更多蛋白的结构。