科学的下一波热潮：生物数学

世界著名数学家、英国皇家学会院士、英国沃里克大学教授Ian Stewart曾经预测，21世纪最令人兴奋、最有进展的科学领域之一，必将是生物数学。美国亚利桑那州立大学教授Jim Austin在特辑的一篇文章里表达了同样观点。他写到：“如果说20世纪属于物理学，那么21世纪将属于生物学。仅仅在DNA的化学结构被发现和计算机实验开展50年后，生物学已经发生了一场革命。这其中，数学和计算科学起到了巨大的推动作用。”

近年来，政府及私人对生物-数学交叉领域研究投资有明显的增长。在美国，NIH（美国卫生研究院），NSF（美国国家科学基金），DOE（美国能源部），EPA（美国环保署）及其他政府机构、私人基金都已着手修正科学研究的计划。跨学科、多机构参与的创新项目正在进行，如NSF与NIH合作，承诺通过建立数学模型和定量方法（modeling and quantitative methods）推进生物学的研究。

在美国之外，类似的努力也在发生着。世界范围内，一系列的国际事件、突发性公共卫生危机正在推进数学及数量生物学的发展。如SARS几乎同时在中国、香港、台湾、越南及加拿大等国家和地区流行。“911事件”提醒世人，类似的生物恐怖袭击是可能的。这一系列事件打破了传统的地域及政治概念，成为全世界都必须面对的科学问题，也成为多学科合作的舞台。社会学家、生物学家、经济学家、政策学者和数学家必须在诸如：禽流感、Ebola virus、及发展探测及确认生物病毒（病菌）技术方面进行合作研究（最新的例子是Zika virus）。

这些令人兴奋的研究及训练机会正在吸引着年轻的科学家和学生投身其中，将完全不同的生物学及数学的研究传统进行融合，并锻造出一个新的研究领域、一种新的思维和一个新的职业。

生物数学的下一波热潮：精准医学的数学理论与方法

2011年，美国国家科学院（NAS）、美国国家工程院（NAE）、美国国立卫生研究院（NIH）及美国国家科学委员会（NSB）共同发出迈向精准医学的倡议。2015年1月20日，奥巴马总统在国情咨文演讲中提出了“精准医学计划”（PMI），呼吁美国要增加医学研究经费，推动个体化基因组学研究，依据个人基因信息为癌症及其他疾病患者制定个体医疗方案，把按基因匹配癌症疗法变得像输血匹配血型那样标准化，把找出正确的用药剂量变得像测量体温那样简单，给恰当的人在恰当的时间使用恰当的治疗，继续引领医学进入全新的时代。

2015年1月30日奥巴马总统正式批准“精准医学计划”，提议国会在2016年财年向该计划投入2.15亿美元，以推动个性化医疗的发展。

我国973计划首席科学家、中国医学科学院院长兼浙江大学免疫学研究所所长曹雪涛院士认为，精准医学始于11年前。2004年，《新英格兰医学杂志》发表了一篇精准医学的标志性论文，这篇文章描述了一个癌症患者的治疗过程。用基因测序的方法找到患者突变的靶标，在辅以有针对性的化疗药物治疗小细胞肺癌，即所谓的精确打击，以代替肿瘤治疗中的放疗、化疗、手术等地毯式轰炸手段，不仅可以提高治疗效率，还能降低患者痛苦程度和经济负担。

中国科学院副院长、中国协和医科大学副校长、国家精准医疗战略专家组负责人詹其敏院士认为，精准医疗是应用现代遗传技术、分子影像技术、生物信息技术，结合患者生活环境和临床数据，实现精准的疾病分类和诊断，制定具有个性化的治疗方案。

2015年3月，科技部举办首届国家精准医疗战略专家会议并成立由19人组成的专家委员会。计划在2030年前投入600亿元，其中央财政支付200亿元，企业和地方财政配套400亿元。

北京协和医院和四川大学华西医院筹建精准医学研究中心。华西医院将开展总数达100万人的人群全基因组测序，建立数据库和样本库，分析疾病发生发展的规律，为精准医疗奠定基础。

美国国立癌症研究所（NCI）认为，精准医学是将个体疾病的遗传学信息用于指导其诊断和治疗的医学。其中关键词是遗传学信息与诊断和治疗。首先是遗传学信息。这包含了5个方面的遗传学变异：

①       单个碱基的突变，如 EGFR 基因突变；

②       额外的基因拷贝（即基因扩增），如乳腺癌 HER2 基因扩增；

③       大段缺失，DNA 的缺失可能导致那些在阻止或控制癌症生长方面发挥重要作用的基因的缺失；

④       基因重组，如大家非常熟悉的 ALK 融合基因；

⑤       基因突变引起的表观遗传学改变，如现在常提到的甲基化、微小 RNA等。

以上这几大方面基本上涵盖了目前癌症分子诊断和精准治疗的分子生物学基础。