展望2030年精準醫學 (Envisioning for Precision Medicine by 2030)
發佈日期：2021-04-23
中山醫學大學 醫學檢驗暨生物技術學系 林克亮 副教授 / 中山醫學大學及附設醫院 醫學研究所及教學研究執行長 李英雄 教授
『Precision Medicine』一詞最早是由美國哈佛大學商學院教授Clayton Christensen在創新者處方(The Innovator`s Prescription , 2009)一書所提出的,而大家所孰知的是美國國家研究委員會在2011年的報告定義精準醫學,其重點是『Toward Precision Medicine: Building a knowledge network for biomedical research and a new taxonomy of diseases)』。”邁向精準醫學要建構一個知識網絡進行生物醫學研究與疾病新的分類,我們從定義內容可解讀『Precision Medicine』在生物醫學的基礎學術研究稱為『精準醫學』;若在臨床實務的疾病重新分類,則可稱為『精準醫療』,這跨域跨界的基礎與臨床轉譯與整合,主要目的是運用所有生物醫學科技與資通訊技術與工具,提供醫療團隊做到預防醫學(Preventive medicine)及預測醫學(Predictive medicine)之早期診斷與早期治療的任務,達成『上醫治未病』之神聖使命之精準檢康(Precision Health)1。
開創性的發現需要創新的工具,而所謂精準醫學之『知識網絡』最主要是應用超快速解析技術(High-throughput technologies) 解碼人體的多體學(Multi-Omics),最開始的基礎當然是基因組(體)學(Genomics),全基因組解碼再進行註解與分析;更重要的要超越基因組學(Beyond Genomics),這包括表觀(徵)基因組學(Epigenomics)、蛋白組學(Proteomics)、代謝組學(Metabolomics)等等,以及解碼伴隨人體共同演化數以百兆計的微生物(Microorganisms)的薈萃基因組學(Metagenomcs)及人體免疫細胞及細胞激素(Cytokines)的免疫組學(Immunomics),另環境的監控器及穿戴式的身體感測器獲得的表現組學(Phenomics)等等(圖一)做最佳的演算註解與歸納分析,致力於達成個人(性)化醫療(Personized Medicine)的目標。
圖一、精準醫學的知識網絡-擁抱多元組學平台技術:現代生物科技進步,運用超快速解碼技術(High-throughput techniques)做人體各種層次的多元組學解碼從基因組到表現組等等。
精準醫學大計畫的推動,美國歐巴馬總統任內精心規劃有策略提出『3+1』的大型醫學研究計畫: (1).腦科學研究計畫(Brain initiative)、(2).精準醫學啟動計畫(Precision medicine initiative)、(3).癌症探月計畫(Cancer Moonshot Initiative)及(4).人類微生物基因體計畫(National Microbiome Initiative),要以當初美國的舉全國之力的探月精神針對進行相關精準醫學研究。美國川普總統也在2019年提出人工智慧啟動計畫(2019 Trump’s Artificial Intelligence Initiative),這重大計畫的規劃與陸續執行,相互配合環環相扣,美國精準醫學十年磨劍,及各國陸續投入,紮下厚實的基礎,知識網絡建立與分享,將使全人類健康都受益。若說精準醫學的概念,其實最早提出的是英國,前首相大衛卡麥隆於2013年提出針對癌症及罕見疾病提出10萬基因組計畫,隨後英國國家創新局於2015宣布成立精準醫學彈射計劃(Precision Medicine Catapult),總計要投入93億美元,並已在2018年率先公告50萬人生物資料庫(UK Biobank),為精準醫學康莊大道鋪路,並強調未來醫學是要跟普羅大眾學習智慧(Wisdom from crowds)。在台灣,中央研究院提出建立台灣生物資料庫(Taiwan Biobank)及台灣精準醫學啟動計畫(Taiwan Precision Medicine Intiative),目前已有初步成果報告。我們中山醫學大學李英雄教授根據美國歐巴馬總統任內四大精準醫學計畫為根基,在近幾年精準醫學浪潮上,先後完成了精準醫學系列教科書,包括: 1.精準醫學大視界(Grand Vision of Precision Medicine),2.精準腫瘤學(Precision Oncology),3.精準老化醫學(Precision Aging Medicine),4.人工智慧奠基精準醫學(AI-based Precision Medicine),5.精準量子醫學(Precision Quantum Medicine),以及在2020年農曆過年剛知中國大陸有發生SARS時,只發了兩個月時間,完成 6.精準公共衛生(Precision Public Health),闡述精準醫學從個體(Individual)邁向群體(Population),精準醫學在COVID-19防治扮演的重要角色,接著於2021年完成 7. 精準藥學(Precision Pharmaceutics)及8.量子奠基精準中醫學(Quantum-Based Precision Chinese Medicine)。並製作精美的上課教材,南北奔波教學演講,這建立知識庫無保留的分享,真正是精準醫學的精神,也是我台灣醫學教育界重要資產(圖二)。除課堂較學,這幾年來中山醫學大學醫學研究所李英雄教授指導下,結合校內外資源,連續三年舉辦五次《精準醫學(Precision Medicine)》相關的研討會,值得一提的是中山醫學大學暨附設醫院在三年前(2018年)的58周年校慶率先提出《精準醫學健康4.0 (Precision-Medicine Health 4.0)》概念,闡述整合多種體(組)學(Multi-Omics)和融入AIoT(E)-5G生態系(Ecosystem)對《精準健康(Precision Health)》落實執行的重要性,並深入剖析對《破壞式創新轉型醫學(Creative Destruction of Transformative Medicine)》與《健康未來學(Health Futurology)》之來臨的因應之道。二年前(2019年)的59周年校慶配合化學週期表150周年紀念,舉辦精準量子醫學研討會。去年(2020)也是中山醫學大學創校六十周年,隆重舉辦為期兩日的《精準檢驗醫學》研討會,期盼為台灣檢驗醫學界開創歷史的先河,奠定永恆的里程碑,樹立獨特的典範。舉辦研討會主要期望結合有志之士跨域跨界建立精準醫學生態系,李英雄較教授辛苦撰寫教科書,將最新的科學知識建立資料庫建構知識網,編寫教材開班授課,強調知識全面分享,期望為台灣精準醫學教育打下根基,並能永續發展
圖二、拓展創新精準醫學:推動精準醫學教育,建構精準醫學知識網,先後舉辦精準醫學健康4.0研討會,精準量子醫學研討會及六十周年校慶精準檢驗醫學研討會,更撰寫完成八本精準醫學系列教科書,包括: 1.精準醫學大視界(Grand Vision of Precision Medicine),2.精準腫瘤學(Precision Oncology),3.精準老化醫學(Precision Aging Medicine),4.人工智慧奠基精準醫學(AI-based Precision Medicine),5.精準量子醫學(Precision Quantum Medicine),6. 精準公共衛生(Precision Public Health),7. 精準藥學(Precision Pharmaceutics)及8.量子奠基精準中醫學(Quantum-Based Precision Chinese Medicine),未來計畫將再撰寫精準檢驗醫學。
今年(2021)是人類基因體解碼草圖公告剛好滿二十年,也是精準醫學發展自從2011年美國國家科學委員會公告,邁向精準醫學是要建立知識網路進行基礎的生物醫學研究及臨床的疾病重新分類。經過這近十年的努力,可以說已打下相當的基礎,精準醫學的貢獻,有一令人傷心難過的典型代表性例子是對於這次COVID-19疫情之疫苗發展與疾病致病機制的探討與治療取得相當的效率與成果;這所謂精準醫學,十年磨劍,若要再預測2030年未來十年的發展,雖是有點過早,當然更有一定的難度,但站在精準醫學最前沿,依靠理想靈感與抱負,團隊的腦力激盪及合作,生物醫學研究、電腦演算、及超高解析的數據,包容不同群體與種族,精準醫學的知識網路能夠毫無保留及多層次全面分享,並在未來十年建立一個真正學習,活到老學到老的健康照護系統(Health care system),未來美國更將基因組學教育推動至小學課程,來達成全民精準醫學正確的概念與視野,這將讓全球人類受益。若我們現在過早來大膽預測2030年基因體發展的狀況,真的有其難度,舉下列十項大家一起來研討3,4:
1. 人類基因體全系列定序與分析,將會普遍化與常規化,在臨床實驗室更會全面自動化,在核酸自動抽取後,馬上自動進行定序分析與註解。
2.人類每一個基因的生物功能將會全部知道,包括基因體中所有沒有轉錄區域(non-coding region)的知識,將會有一定的規律來遵循。
3.在基因體與表現體的功能分析,會納入所有表觀遺傳學的全部標誌及其轉錄的產出。
4.人類基因體研究,會從個體到所有群體,更會包括全球不同群體與種族。
5.數以千萬個基因體與表現體的研究成果與資訊,將會是學校的科學教育與展覽一個常設組織功能。
6.基因體的資訊使用會從零零星星到成為臨床實務的主流,基因體檢驗就如醫院血液常規檢查(Complete Blood Count, CBC)一樣普遍。
7.基因變異與臨床實務關聯性,可以應用於預測醫學,而所謂基因變異性不確定意義(Variant of Uncertain Significance, VUS)將會成為過去。
8.每一個體完整基因體定序及臨床相關重要的註解與分析,在個資安全與需求考量下,將可儲存在每個人的智慧型手機加以使用。
9.每一個人基因體及祖譜多樣性的背景將有更公平受益對待。
10.基因的修飾治癒技術將有重大成果,預期將數十個遺傳疾病受益。
精準醫學更主要是整合基因體及各種體學分析(Multi-omics analyses)、環境的監控器及穿戴式的身體感測器獲得的巨量複雜的數據,做最佳的演算與註解分析、並慎重的思慮與嚴謹的討論,致力於達成個人(性)化醫療的目標。在各國分工合作努力之下,展望未來十年精準醫學的發展,將在下列各領域,其中包括基因組解碼在臨床將會常規化,大數據要更具多樣性(Diversity)與包容性(Inclusion)結合人工智慧演算勢在必行,參與的普羅大眾要更多人數並有長期縱向世代研究與分析(Longitudinal Cohorts),而穿戴式電子健康紀錄會更精緻與普及化,並記錄各項表現組學(Phenomics)與環境變化,當然引進區塊鏈(Block chain)技術之個資保護,信任與回歸實際價值,均是未來精準醫學發展發展重要機會與要點,展望預測2030年精準醫學發展,如表一所列舉,將是大家努力的目標與重點5。
表一、展望2030年精準醫學基礎學術研究與臨床實務應用
總結:自從2011年美國國家研究定義精準醫學,這十年來「精準醫學」是針對病人體質差異和疾病(如癌症及各種慢性疾病)的異質性的特殊考量下,所訂定出來的健康照護、疾病預防和治療最佳的策略。精準醫學更主要是整合基因體及各種體學分析(Multi-omics analyses)、環境的監控器及穿戴式的身體感測器獲得的巨量複雜的數據,做最佳的演算與註解分析、並慎重的思慮與嚴謹的討論,致力於達成個人(性)化醫療的目標。在各國分工合作努力之下,展望未來十精準醫學的發展,將在下列各領域,其中包括基因組解碼在臨床將會常規化,大數據要更具多樣性(Diversity)與包容性(Inclusion)結合人工智慧演算勢在必行,參與的普羅大眾要更多人數並有長期縱向世代研究與分析(Longitudinal Cohorts),而穿戴式電子健康紀錄會更精緻與普及化,並記錄各項表現組學(Phenomics)與環境變化,當然引進區塊鏈(Block chain)技術之個資保護,信任與回歸實際價值,建立精準醫學健康照護學習系統(Precision Medicine Learning Health Care System)
參考文獻及資料:
- 李英雄。2017。第一章 精準醫療演化史之回顧與展望,11-19頁,李英雄編著,精準醫療大視界(Grand Vision of Precision Medicine),第一版。百昌生物醫藥科技股份有限公司。
- US National Research Council (2011). Toward Precision Medicine: Building a Knowledge Network for Biomedical Research and a New Taxonomy of Disease (Washington, DC: National Academies)
- The Human Genome Project; https://www.genome.gov/human-genome-project (accessed 28 June 2020)
- Eric D Green, Chris Gunter, Leslie G Biesecker (2020), Strategic vision for improving human health at The Forefront of Genomics, Nature 586: 683–692
- Joshua C. Denny and Francis S. Collins (2021). Precision medicine in 2030—seven ways to transform healthcare, Cell 184:1415-1419.
『Precision Medicine』一詞最早是由美國哈佛大學商學院教授Clayton Christensen在創新者處方(The Innovator`s Prescription , 2009)一書所提出的,而大家所孰知的是美國國家研究委員會在2011年的報告定義精準醫學,其重點是『Toward Precision Medicine: Building a knowledge network for biomedical research and a new taxonomy of diseases)』。”邁向精準醫學要建構一個知識網絡進行生物醫學研究與疾病新的分類,我們從定義內容可解讀『Precision Medicine』在生物醫學的基礎學術研究稱為『精準醫學』;若在臨床實務的疾病重新分類,則可稱為『精準醫療』,這跨域跨界的基礎與臨床轉譯與整合,主要目的是運用所有生物醫學科技與資通訊技術與工具,提供醫療團隊做到預防醫學(Preventive medicine)及預測醫學(Predictive medicine)之早期診斷與早期治療的任務,達成『上醫治未病』之神聖使命之精準檢康(Precision Health)1。
開創性的發現需要創新的工具,而所謂精準醫學之『知識網絡』最主要是應用超快速解析技術(High-throughput technologies) 解碼人體的多體學(Multi-Omics),最開始的基礎當然是基因組(體)學(Genomics),全基因組解碼再進行註解與分析;更重要的要超越基因組學(Beyond Genomics),這包括表觀(徵)基因組學(Epigenomics)、蛋白組學(Proteomics)、代謝組學(Metabolomics)等等,以及解碼伴隨人體共同演化數以百兆計的微生物(Microorganisms)的薈萃基因組學(Metagenomcs)及人體免疫細胞及細胞激素(Cytokines)的免疫組學(Immunomics),另環境的監控器及穿戴式的身體感測器獲得的表現組學(Phenomics)等等(圖一)做最佳的演算註解與歸納分析,致力於達成個人(性)化醫療(Personized Medicine)的目標。
圖一、精準醫學的知識網絡-擁抱多元組學平台技術:現代生物科技進步,運用超快速解碼技術(High-throughput techniques)做人體各種層次的多元組學解碼從基因組到表現組等等。
精準醫學大計畫的推動,美國歐巴馬總統任內精心規劃有策略提出『3+1』的大型醫學研究計畫: (1).腦科學研究計畫(Brain initiative)、(2).精準醫學啟動計畫(Precision medicine initiative)、(3).癌症探月計畫(Cancer Moonshot Initiative)及(4).人類微生物基因體計畫(National Microbiome Initiative),要以當初美國的舉全國之力的探月精神針對進行相關精準醫學研究。美國川普總統也在2019年提出人工智慧啟動計畫(2019 Trump’s Artificial Intelligence Initiative),這重大計畫的規劃與陸續執行,相互配合環環相扣,美國精準醫學十年磨劍,及各國陸續投入,紮下厚實的基礎,知識網絡建立與分享,將使全人類健康都受益。若說精準醫學的概念,其實最早提出的是英國,前首相大衛卡麥隆於2013年提出針對癌症及罕見疾病提出10萬基因組計畫,隨後英國國家創新局於2015宣布成立精準醫學彈射計劃(Precision Medicine Catapult),總計要投入93億美元,並已在2018年率先公告50萬人生物資料庫(UK Biobank),為精準醫學康莊大道鋪路,並強調未來醫學是要跟普羅大眾學習智慧(Wisdom from crowds)。在台灣,中央研究院提出建立台灣生物資料庫(Taiwan Biobank)及台灣精準醫學啟動計畫(Taiwan Precision Medicine Intiative),目前已有初步成果報告。我們中山醫學大學李英雄教授根據美國歐巴馬總統任內四大精準醫學計畫為根基,在近幾年精準醫學浪潮上,先後完成了精準醫學系列教科書,包括: 1.精準醫學大視界(Grand Vision of Precision Medicine),2.精準腫瘤學(Precision Oncology),3.精準老化醫學(Precision Aging Medicine),4.人工智慧奠基精準醫學(AI-based Precision Medicine),5.精準量子醫學(Precision Quantum Medicine),以及在2020年農曆過年剛知中國大陸有發生SARS時,只發了兩個月時間,完成 6.精準公共衛生(Precision Public Health),闡述精準醫學從個體(Individual)邁向群體(Population),精準醫學在COVID-19防治扮演的重要角色,接著於2021年完成 7. 精準藥學(Precision Pharmaceutics)及8.量子奠基精準中醫學(Quantum-Based Precision Chinese Medicine)。並製作精美的上課教材,南北奔波教學演講,這建立知識庫無保留的分享,真正是精準醫學的精神,也是我台灣醫學教育界重要資產(圖二)。除課堂較學,這幾年來中山醫學大學醫學研究所李英雄教授指導下,結合校內外資源,連續三年舉辦五次《精準醫學(Precision Medicine)》相關的研討會,值得一提的是中山醫學大學暨附設醫院在三年前(2018年)的58周年校慶率先提出《精準醫學健康4.0 (Precision-Medicine Health 4.0)》概念,闡述整合多種體(組)學(Multi-Omics)和融入AIoT(E)-5G生態系(Ecosystem)對《精準健康(Precision Health)》落實執行的重要性,並深入剖析對《破壞式創新轉型醫學(Creative Destruction of Transformative Medicine)》與《健康未來學(Health Futurology)》之來臨的因應之道。二年前(2019年)的59周年校慶配合化學週期表150周年紀念,舉辦精準量子醫學研討會。去年(2020)也是中山醫學大學創校六十周年,隆重舉辦為期兩日的《精準檢驗醫學》研討會,期盼為台灣檢驗醫學界開創歷史的先河,奠定永恆的里程碑,樹立獨特的典範。舉辦研討會主要期望結合有志之士跨域跨界建立精準醫學生態系,李英雄較教授辛苦撰寫教科書,將最新的科學知識建立資料庫建構知識網,編寫教材開班授課,強調知識全面分享,期望為台灣精準醫學教育打下根基,並能永續發展
圖二、拓展創新精準醫學:推動精準醫學教育,建構精準醫學知識網,先後舉辦精準醫學健康4.0研討會,精準量子醫學研討會及六十周年校慶精準檢驗醫學研討會,更撰寫完成八本精準醫學系列教科書,包括: 1.精準醫學大視界(Grand Vision of Precision Medicine),2.精準腫瘤學(Precision Oncology),3.精準老化醫學(Precision Aging Medicine),4.人工智慧奠基精準醫學(AI-based Precision Medicine),5.精準量子醫學(Precision Quantum Medicine),6. 精準公共衛生(Precision Public Health),7. 精準藥學(Precision Pharmaceutics)及8.量子奠基精準中醫學(Quantum-Based Precision Chinese Medicine),未來計畫將再撰寫精準檢驗醫學。
今年(2021)是人類基因體解碼草圖公告剛好滿二十年,也是精準醫學發展自從2011年美國國家科學委員會公告,邁向精準醫學是要建立知識網路進行基礎的生物醫學研究及臨床的疾病重新分類。經過這近十年的努力,可以說已打下相當的基礎,精準醫學的貢獻,有一令人傷心難過的典型代表性例子是對於這次COVID-19疫情之疫苗發展與疾病致病機制的探討與治療取得相當的效率與成果;這所謂精準醫學,十年磨劍,若要再預測2030年未來十年的發展,雖是有點過早,當然更有一定的難度,但站在精準醫學最前沿,依靠理想靈感與抱負,團隊的腦力激盪及合作,生物醫學研究、電腦演算、及超高解析的數據,包容不同群體與種族,精準醫學的知識網路能夠毫無保留及多層次全面分享,並在未來十年建立一個真正學習,活到老學到老的健康照護系統(Health care system),未來美國更將基因組學教育推動至小學課程,來達成全民精準醫學正確的概念與視野,這將讓全球人類受益。若我們現在過早來大膽預測2030年基因體發展的狀況,真的有其難度,舉下列十項大家一起來研討3,4:
1. 人類基因體全系列定序與分析,將會普遍化與常規化,在臨床實驗室更會全面自動化,在核酸自動抽取後,馬上自動進行定序分析與註解。
2.人類每一個基因的生物功能將會全部知道,包括基因體中所有沒有轉錄區域(non-coding region)的知識,將會有一定的規律來遵循。
3.在基因體與表現體的功能分析,會納入所有表觀遺傳學的全部標誌及其轉錄的產出。
4.人類基因體研究,會從個體到所有群體,更會包括全球不同群體與種族。
5.數以千萬個基因體與表現體的研究成果與資訊,將會是學校的科學教育與展覽一個常設組織功能。
6.基因體的資訊使用會從零零星星到成為臨床實務的主流,基因體檢驗就如醫院血液常規檢查(Complete Blood Count, CBC)一樣普遍。
7.基因變異與臨床實務關聯性,可以應用於預測醫學,而所謂基因變異性不確定意義(Variant of Uncertain Significance, VUS)將會成為過去。
8.每一個體完整基因體定序及臨床相關重要的註解與分析,在個資安全與需求考量下,將可儲存在每個人的智慧型手機加以使用。
9.每一個人基因體及祖譜多樣性的背景將有更公平受益對待。
10.基因的修飾治癒技術將有重大成果,預期將數十個遺傳疾病受益。
精準醫學更主要是整合基因體及各種體學分析(Multi-omics analyses)、環境的監控器及穿戴式的身體感測器獲得的巨量複雜的數據,做最佳的演算與註解分析、並慎重的思慮與嚴謹的討論,致力於達成個人(性)化醫療的目標。在各國分工合作努力之下,展望未來十年精準醫學的發展,將在下列各領域,其中包括基因組解碼在臨床將會常規化,大數據要更具多樣性(Diversity)與包容性(Inclusion)結合人工智慧演算勢在必行,參與的普羅大眾要更多人數並有長期縱向世代研究與分析(Longitudinal Cohorts),而穿戴式電子健康紀錄會更精緻與普及化,並記錄各項表現組學(Phenomics)與環境變化,當然引進區塊鏈(Block chain)技術之個資保護,信任與回歸實際價值,均是未來精準醫學發展發展重要機會與要點,展望預測2030年精準醫學發展,如表一所列舉,將是大家努力的目標與重點5。
表一、展望2030年精準醫學基礎學術研究與臨床實務應用
總結:自從2011年美國國家研究定義精準醫學,這十年來「精準醫學」是針對病人體質差異和疾病(如癌症及各種慢性疾病)的異質性的特殊考量下,所訂定出來的健康照護、疾病預防和治療最佳的策略。精準醫學更主要是整合基因體及各種體學分析(Multi-omics analyses)、環境的監控器及穿戴式的身體感測器獲得的巨量複雜的數據,做最佳的演算與註解分析、並慎重的思慮與嚴謹的討論,致力於達成個人(性)化醫療的目標。在各國分工合作努力之下,展望未來十精準醫學的發展,將在下列各領域,其中包括基因組解碼在臨床將會常規化,大數據要更具多樣性(Diversity)與包容性(Inclusion)結合人工智慧演算勢在必行,參與的普羅大眾要更多人數並有長期縱向世代研究與分析(Longitudinal Cohorts),而穿戴式電子健康紀錄會更精緻與普及化,並記錄各項表現組學(Phenomics)與環境變化,當然引進區塊鏈(Block chain)技術之個資保護,信任與回歸實際價值,建立精準醫學健康照護學習系統(Precision Medicine Learning Health Care System)
參考文獻及資料:
- 李英雄。2017。第一章 精準醫療演化史之回顧與展望,11-19頁,李英雄編著,精準醫療大視界(Grand Vision of Precision Medicine),第一版。百昌生物醫藥科技股份有限公司。
- US National Research Council (2011). Toward Precision Medicine: Building a Knowledge Network for Biomedical Research and a New Taxonomy of Disease (Washington, DC: National Academies)
- The Human Genome Project; https://www.genome.gov/human-genome-project (accessed 28 June 2020)
- Eric D Green, Chris Gunter, Leslie G Biesecker (2020), Strategic vision for improving human health at The Forefront of Genomics, Nature 586: 683–692
- Joshua C. Denny and Francis S. Collins (2021). Precision medicine in 2030—seven ways to transform healthcare, Cell 184:1415-1419.