欲了解最新的科学趋势，请参阅我们的“科学突破：2026年值得关注的新兴趋势”，其中包含有关混合太阳能电池、无阿片类药物镇痛、替代电池技术、自修复基础设施等主题的详细信息。
科学发现每天都在跨学科和跨行业领域发生，那么在蓬勃发展的格局中，您该如何把握新兴趋势？CAS 拥有独特的视角，能够洞察近期的科学突破及其所依托的历史发现，并具备引领未来机遇的专业知识。2023年，我们确定了顶级科学突破，而2024年将带来更多可能。值得关注的新趋势包括绿色化学的加速扩展、CRISPR 的临床验证、生物材料的兴起，以及在治疗从癌症到神经退行性疾病等“不可成药”靶点方面取得的突破性进展。
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人工智能在研发领域的崛起
尽管人工智能的未来一直备受期待，但其在化学和药物发现领域的革命尚未完全实现。虽然经历了一些备受瞩目的挫折，但随着该领域的不断演进，有几项突破值得密切关注。生成式人工智能正在对药物发现产生影响，机器学习正更多地应用于环境研究，而像 ChatGPT 这样的大型语言模型也正在医疗保健应用和临床环境中进行测试。
许多科学家都在密切关注AlphaFold，这是 DeepMind 开发的蛋白质结构预测软件，它彻底改变了人们对蛋白质的理解。DeepMind 和 Isomorphic Labs 最近宣布，其最新模型显示出更高的准确性，能够为蛋白质数据库中几乎所有的分子生成预测，并将覆盖范围扩展至配体、核酸和翻译后修饰。人工智能驱动的治疗性抗体发现也日益受到欢迎，诸如RubrYc Therapeutics 抗体发现引擎等平台将有助于推动该领域的研究。
尽管许多人对人工智能的发展感到兴奋，但人们也在讨论关于准确且可访问的训练数据、公平性与偏见、缺乏监管监督、对学术界、学术研究和出版的影响、大型语言模型的幻觉，甚至关于信息疫情对公共卫生威胁的担忧。然而，人工智能的持续改进是不可避免的，因此预计在2024年将看到许多新的发展和创新。
“更绿色”的绿色化学
绿色化学是一个快速发展的领域，不断寻求创新方法以最大限度地减少化学过程对环境的影响。以下是几个正在取得重大突破的新兴趋势：
- 改进绿色化学预测/成果：绿色化学面临的最大挑战之一是预测新化学品和工艺对环境的影响。研究人员正在开发新的计算工具和模型，以更准确地预测这些影响。这将使化学家能够设计出更安全、更环保的化学品。
- 减少塑料：每年产生的塑料垃圾超过3.5亿吨。在制造商、供应商和零售商的整个格局中，减少一次性塑料和微塑料的使用至关重要。像MiTerro这样的创新者通过重复利用工业副产品和生物质废弃物来替代塑料，这种以价值为导向的新方法将很快成为行业预期。在整个供应链中降低成本和塑料足迹将变得非常重要。
- 替代电池化学：在电池和储能领域，寻找锂和钴等稀缺的“濒危元素”的替代品至关重要。虽然它们是许多电池的重要组成部分，但正变得越来越稀缺且昂贵。对不使用镍和钴的磷酸铁锂（LFP）电池的投资已经扩大，预计到2029年，LFP 将占据电动汽车市场45%的份额。预计未来将继续研究开发钠、铁和镁等替代材料，这些材料储量更丰富、成本更低且更具可持续性。
- 更可持续的催化剂：催化剂可以加速化学反应或降低所需能量，且自身不会被消耗。贵金属是极好的催化剂，但它们价格昂贵，且开采过程会造成环境破坏。即使是非贵金属催化剂，也可能因污染和处置困难而具有毒性。可持续催化剂由地球上储量丰富且本质上无毒的元素制成。近年来，人们越来越关注开发更环保、对贵金属依赖度更低的可持续催化剂。催化剂及其作用和环境影响方面的新进展，将推动在减少碳足迹方面取得有意义的进展。
- 锂离子电池回收：锂离子电池回收已获得更多投资，2023年已发布了800多项专利。使用固体电解质或液体不可燃电解质可以提高锂离子电池的安全性和耐用性，并减少材料使用。最后，一种无需溶剂的电极制造方法可以减少对 N-甲基吡咯烷酮等废弃溶剂的使用，这些溶剂需要回收和小心处理以防止排放。
生物材料的兴起
用于生物医学应用的新材料可能会在2024年彻底改变许多医疗保健领域。一个例子是生物电子材料，它构成了电子设备与人体之间的接口，例如 Neuralink 正在开发的脑机接口系统。该系统使用植入大脑的生物相容性电极网络，已于2023年获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准，开始进行人体试验。
- 生物电子材料：通常是混合材料或复合材料，结合了纳米级材料、高度工程化的导电聚合物和生物可吸收物质。近期开发的设备可以植入体内，在临时使用后由人体安全吸收，无需手术取出。这一技术已通过一种由锌和可生物降解聚合物聚乳酸（PLA）制成的传感器与无线电力接收器组合装置得到了验证。
- 天然生物材料：在2023年，具有生物相容性且源自天然的材料（如壳聚糖、纤维素纳米材料和丝绸）被用于制造先进的多功能生物材料。例如，研究人员设计了一种可注射的水凝胶脑部植入物，用于治疗帕金森病，其原理是基于壳聚糖、单宁酸和金纳米颗粒之间形成的可逆交联。
- 生物墨水：用于器官的3D打印和移植开发，有望彻底改变患者护理方式。目前，这些模型被用于研究器官结构，例如用于心脏疾病研究的3D打印心脏模型，以及用于测试药物疗效的3D打印肺模型。专用生物墨水提升了3D打印器官、结构及其应用效果的质量、功效和多功能性。最后，诸如原始丝绸基生物墨水的体积增材制造（VAM）等新方法，正在开启3D打印创新的新前沿。
奔向月球及更远方
全球“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划是一项由美国国家航空航天局（NASA）主导的国际太空探索项目，旨在2025年前将首位女性和首位有色人种送上月球，作为在月球建立可持续人类存在这一长期目标的一部分。此外，NASA名为“欧罗巴快船”（Europa Clipper）的任务计划于2024年发射，将绕木星飞行并掠过木卫二（Europa），以研究其水资源存在情况及宜居性。中国的嫦娥六号任务计划将月球样本带回地球进行进一步研究。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的火星卫星探测（MMX）任务计划从火星卫星火卫一（Phobos）带回样本。波音公司也预计将对其可重复使用的太空舱“星际客机”（Starliner）进行试飞，该舱可将人员送往近地轨道。
然而，“阿尔忒弥斯”计划的研发影响力已延伸至航空航天工程以外的更多领域：
- 机器人技术：机器人在“阿尔忒弥斯”计划中将发挥关键作用，执行收集样本、建设基础设施和开展科学研究等多项任务。这将推动包括自主系统和灵巧机械臂在内的新型机器人技术的发展。
- 太空医学：“阿尔忒弥斯”计划需要开发新技术，以保护宇航员免受太空旅行中辐射暴露和微重力等危害。这将涵盖医学诊断、治疗和应对措施方面的科学发现。
- 地球科学：“阿尔忒弥斯”计划将提供研究月球及其环境的独特机会，从而为理解地球的历史、地质和气候带来新的见解。
- 材料科学：极端的太空环境需要轻便、耐用且抗辐射的新型材料。这将应用于航空航天、建筑和能源等多个行业。
- 信息技术：“阿尔忒弥斯”计划将产生海量数据，需要进行实时处理、分析和共享。这将推动云计算、人工智能和机器学习等新IT技术的发展。
CRISPR的成果
经过多年的研究、挫折和缓慢的进展，CRISPR作为临床治疗平台技术的首个正式证据终于实现。Intellia Therapeutics公司获得了FDA批准，启动了一项针对hATTR（遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性）新药的关键性3期临床试验，并利用相同的Cas9 mRNA技术，开发出了一种治疗血管性水肿的新药。这一成就仅通过改变引导RNA的20个核苷酸即可实现，表明CRISPR完全可以作为一种临床治疗平台技术使用。
CRISPR药物开发技术的第二个重大时刻是Vertex与CRISPR Therapeutics宣布，首款CRISPR/Cas9基因编辑疗法CASGEVY™获得英国药品和保健品管理局（MHRA）批准，用于治疗镰状细胞病和输血依赖性β-地中海贫血。这是全球首个获批用于人类的CRISPR疗法，是实现CRISPR改善人类健康潜力的里程碑时刻。
除了卓越的基因组编辑能力外，CRISPR-Cas系统已在多个应用领域证明了其有效性，包括癌症早期诊断。基于CRISPR的基因组和转录组工程，以及CRISPR-Cas12a和CRISPR-Cas13a系统，似乎具备了成为癌症治疗和诊断强有力检测工具的必要特性。基于CRISPR-Cas的生物传感系统开启了癌症早期精准诊断的新时代。
麻省理工学院的工程师还设计了一种新型纳米颗粒DNA编码纳米传感器，用于检测尿液生物标志物，通过简单的尿液检测即可实现癌症的早期诊断。这些传感器能够检测癌蛋白，并能区分肿瘤类型或其对治疗的反应。
终结癌症
免疫肿瘤学领域在过去几年中取得了巨大增长。细胞因子、疫苗、肿瘤导向单克隆抗体和免疫检查点阻断剂等已获批产品市场规模持续扩大。诸如TAC01-HER2等创新疗法目前正在进行临床试验。这种独特的疗法使用自体T细胞，通过基因工程改造，使其结合T细胞抗原偶联（TAC）受体，从而识别并清除肿瘤细胞上的人类表皮生长因子受体2（HER2）。这有望成为治疗转移性HER2阳性实体瘤的一种前景广阔的疗法。
另一种有前景的策略旨在将CAR-T细胞与增强免疫反应的疫苗联合使用以对抗实体瘤。免疫增强有助于人体产生更多的宿主T细胞，从而靶向CAR-T细胞无法杀伤的其他肿瘤抗原。
另一个值得注意的趋势是开发更有效、更个性化的疗法。例如，一种近期开发的个性化RNA新抗原疫苗（基于尿苷mRNA-脂质复合物纳米颗粒）被发现对胰腺导管腺癌（PDAC）有效。免疫肿瘤学面临的主要挑战包括治疗耐药性、缺乏可预测的生物标志物以及肿瘤异质性。因此，设计创新的治疗策略将是未来的研究重点。
能源脱碳
目前，多项资金充足的项目正在推进中，旨在通过在2024年以不产生（或大幅减少）二氧化碳的能源替代化石燃料能源，实现能源生产的脱碳。
其中一项努力是将大规模储能设备并入现有电网。这是实现可再生能源应用的重要一环，因为它们提供了额外的电力供需调节，以补充可再生能源。目前正在开发多种电网级储能技术，其储能容量和向电网放电的速度各不相同。有些是物理储能（飞轮、抽水蓄能和压缩空气），有些是化学储能（传统电池、液流电池、超级电容器和氢能），但所有这些都是化学和材料开发研究的活跃领域。美国政府正通过《通胀削减法案》中的税收抵免以及一项70亿美元的计划来建立区域性氢能中心，以鼓励该领域的发展。
与此同时，核能将在2024年继续成为活跃的研发领域。在核裂变方面，多家公司正在开发用于电力生产和化学制造（包括制氢）的小型模块化反应堆（SMR）。核聚变反应堆的开发涉及物理学和材料科学的基础研究。一个主要挑战是寻找一种可用于反应堆壁面以面对聚变等离子体的材料；迄今为止，候选材料包括高熵合金甚至熔融金属。
神经退行性疾病
神经退行性疾病是主要的公共卫生问题，也是全球范围内导致死亡和残疾的主要原因之一。虽然目前尚无治愈任何神经退行性疾病的方法，但新的科学发现和对这些病理机制的理解，可能是改善患者预后的关键。
- 阿尔茨海默病：两款免疫疗法药物已获美国食品药品监督管理局（FDA）批准，用于减缓早期阿尔茨海默病患者的认知与功能衰退。阿杜卡奴单抗（Aduhelm®）于2021年获得加速批准，是自2003年以来首个获批的阿尔茨海默病新药，也是首个针对该疾病病理生理机制的疗法，能减少早期患者脑内的β-淀粉样蛋白斑块。仑卡奈单抗（Leqembi®）于2023年获得传统批准，是首个在临床上证实能改善病情的阿尔茨海默病药物，可降低疾病进展速度，延缓早期患者的认知与功能衰退。
- 帕金森病：除药物治疗和深部脑刺激外，针对帕金森病症状的新型治疗手段正不断被研发并获FDA批准。非侵入性医疗设备Exablate Neuro（2021年获FDA批准）利用聚焦超声作用于大脑一侧，以缓解震颤、肢体僵硬和运动障碍等严重症状。2023年，帕金森病研究取得重大进展，生物标志物α-突触核蛋白得到验证。研究人员开发出一种名为α-突触核蛋白种子扩增检测的工具，可检测帕金森病患者及尚未出现临床症状者脊髓液中的该生物标志物。
- 肌萎缩侧索硬化症（ALS）：过去两年中，两款药物获FDA批准用于延缓ALS患者的病情进展。Relyvrio®于2022年获批，通过预防或减缓神经元细胞死亡发挥作用。托夫森（Qalsody®）是一种反义寡核苷酸，于2023年通过加速审批途径获批。托夫森靶向突变超氧化物歧化酶1（SOD1）基因产生的RNA，从而消除毒性SOD1蛋白的产生。近期关于突变如何导致ALS的遗传学研究仍在持续，研究人员近期发现了NEK1基因突变导致ALS的机制。这一发现为稳定ALS患者微管提供了潜在的合理治疗方案。
