封面介绍
肿瘤是严重威胁人类健康的全球性挑战。肿瘤的早期诊断和有效治疗十分困难。随着科学技术的发展，越来越多的新方法和新策略被应用到肿瘤诊断和治疗中。封面背景是一个血液供应充足的肿瘤细胞。中心气泡中的放大镜、药物和手术刀代表肿瘤的诊断和治疗。其周围的气泡包含六种具有代表性的新技术，从左上开始按顺时针方向分别为：液体活检、人源性肿瘤组织异种移植、多组学整合分析、人工智能医学影像、类器官和纳米医学。
急性髓系白血病（AML）的现代治疗始于1973年，首例柔红霉素和阿糖胞苷联合治疗法的成功随后拯救了大约45%的患者。准确的AML诊断依赖于形态学方法，其最初仅由细胞化学手段辅助。与急性淋巴细胞白血病（ALL）不同，至少在20世纪70年代和80年代，免疫分型在AML的诊断中几乎不起作用。可靠的细胞遗传学方法的出现为AML的预后发展带来了翻天覆地的变化。通过核型分析，可以对不同的AML实现分类与分层，以进行各种治疗。借助细胞上抗原标记物的免疫表型鉴定，独特的突变图谱可以里程碑式地进一步对 AML 患者进行分类。所有的这些进展都随着对肿瘤负荷[即微小残留病变（minimal residual disease, MRD）]的重要性的理解而成为AML患者管理的关键。MRD的疗效在过去10年迅速发展，其特异性从免疫分型的10-3发展到聚合酶链反应（PCR）的10-4（且仅对于部分AML患者有效），并最终在具有下一代测序（NGS）技术的灵敏度极高的细胞中发展至10-5甚至10-6。所有这些进步都促进了个性化医疗概念的发展，并带来了可以准确用于特定诊断亚型的靶向药物。可以精准预测与测量其响应。这些靶向药物现已成为AML管理的基础，其疗效显著提高，而毒性则显著下降。本文的重点是研究最为深入的AML靶向药物之一——FMS样酪氨酸激酶3（FLT3）抑制剂，它影响了AML的预后与治疗。作为已被批准的其他新兴靶向药物以及目前正在开发的靶向药物的原型，本文将选择性地对FLT3抑制剂展开详细讨论。
肝细胞癌（HCC）早期检测是对处于早期阶段的肝细胞癌进行检出的方法，对降低高风险患者的HCC死亡率至关重要。然而，对于早期HCC，目前仍然缺乏具有高度灵敏性和特异性的监测生物标志物。近年来，人们对循环系统中可检测到的肿瘤源性分子特征进行了大量研究，比如循环肿瘤脱氧核糖核酸（ctDNA）和循环肿瘤核糖核酸（ctRNA），以探讨它们作为多种肿瘤类型的候选非侵入性生物标志物的潜力。本文汇总了目前有关早期HCC检测的新方法及应用的研究。
乳腺癌的特点是肿瘤细胞周围的蛋白纤维大量增加。这些纤维会提高组织的机械硬度，人们一直以来都是利用这一点并通过手动触诊来诊断肿瘤。最近的生物工程研究开发了新型生物材料，这些材料模拟了肿瘤微环境的力学特性和结构特性，可以用来了解这些特性如何调节乳腺癌的发展和扩散。本文概述了乳腺癌组织的力学特性与正常乳腺组织及非癌性病变组织的力学特性之间的差异，描述了生物材料模型是如何用于了解细胞外环境的硬度和黏度调节细胞迁移和乳腺癌转移的。此外，本文还强调了对生物材料模型的需求，这些模型可独立分析肿瘤微环境的单个和多个力学特性并利用肿瘤内不同区域的细胞，同时为进行乳腺癌转移新型机械疗法的开发提供了指导。
肝内胆管癌（ICC）是第二常见肝癌。化疗仍然是晚期ICC患者的主要治疗方法，但是化疗敏感性因人而异。在本研究中，我们使用飞行时间质谱仪（CyTOF）在单细胞水平上建立ICC患者在化疗前、化疗中和化疗后指定时间点外周血单核细胞（PBMC）的免疫谱；应用多重免疫荧光染色展现某些特定免疫亚群的空间分布；使用组织微阵列（TMA）评估患者预后。本研究共招募了20名接受吉西他滨（GEM）治疗的ICC患者，其中8例对化疗反应良好（R），12例无反应（NR）。我们观察到化疗后患者PBMC组成发生了巨大变化，比如CD4/CD8 双阳性T细胞（DPT）水平增加。治疗前CD4+CD45RO+CXCR3+T细胞水平较高的患者对化疗反应良好。我们的研究确定了T细胞亚群的百分比与患者化疗反应性之间存在正相关关系，这表明通过评估PBMC中细胞亚群的比例来预测ICC患者化疗反应性是可行的。
结直肠癌（CRC）是全球导致癌症相关死亡的第二大原因。CRC患者的5年生存率与诊断分期息息相关。CRC早期诊断患者的5年生存率高于80%，CRC晚期诊断患者的5年生存率低于10%。大量研究表明，患者血清中特定CRC自身抗原[肿瘤相关抗原（TAA）]对应的自身抗体有助于早期诊断。因此，本文旨在识别CRC特异性自身抗体的自身抗原靶点，借助液体活检技术有效筛查CRC患者和健康个体。为此，我们从CRC患者体内提取5个CRC细胞系和组织样本，通过免疫沉淀-质谱分析法测量其分泌的外泌体的蛋白质含量，共鉴定出103种蛋白质为潜在的CRC特异性自身抗原。采用生物信息学技术和荟萃分析，我们选定了15种与实际CRC自身抗原类似度更高的蛋白质，以便后续借助蛋白质印迹法（WB）和免疫组织化学技术（IHC）评估它们在CRC预后中的作用。结果发现，在患者的组织和血浆外泌体样本中，有11种蛋白质发生蛋白质水平失调，有9种蛋白质与CRC预后有关。经验证发现，除一例外，所有研究均显示出具有统计学意义的高诊断能力，采用荧光Halotag磁珠，或者借助多路生物传感平台（磁性微载体为固相载体，由用于CRC细胞检测的共价固定Halotag融合蛋白修饰），能够有效筛查区分CRC患者、癌前病变个体与健康个体。综上所述，本文的研究结果突出了此研究方法在识别慢性疾病特征TAA时的有效性；此外，本文采用的测量血浆中TAA对应的自身抗体水平的方法可以应用到具有高诊断能力的CRC检测即时医疗（POC）设备中。
绝大多数胰腺癌患者的死亡都是由于癌细胞迅速转移到肺、肝、脑等重要器官造成的。其中，胰腺癌肝转移是胰腺癌患者死亡率高的原因之一。来自胰腺癌细胞的外泌体通常富含跨膜蛋白，用于支持肿瘤微环境的重编程和远处转移性病变的进展。我们的研究发现，由外泌体传递的跨膜糖蛋白CD44通过重编程肿瘤微环境，参与了胰腺癌的转移过程。CD44与整合素α6β4相互作用形成复合物，激活细胞内骨架蛋白及其信号通路，进而调控Src和Ras信号级联反应，促进肿瘤细胞的运动。值得注意的是，我们还证明了CD44-α6β4复合物可以通过外泌体的旁分泌作用传递到靶区。肝细胞选择性摄取具有高表达CD44的肿瘤外泌体，并通过刺激细胞因子、促炎因子和生长因子产生转移前生态位，最终支持肿瘤转移。我们的研究结果表明，外泌体CD44有可能作为胰腺癌临床诊断和治疗的生物标志物。
癌细胞分离是癌症诊断和治疗的理想手段。除了生化方法，工程化平台是根据癌细胞响应周围微环境物理变化的独特特性将癌细胞与正常细胞分离的有效选择。本研究根据精确控制的设计参数（包括刚度、层数和结构布局），开发了三维（3D）仿生支架平台，用于分离鼻咽癌（NPC43）细胞与永生化鼻咽上皮（NP460）细胞。支架平台上NPC43细胞和NP460细胞的迁移特征表明，NPC43细胞可以挤进10 µm宽、15 µm深的沟槽，而NP460细胞不能。迁移行为的不同主要是由细胞与周围微环境的交互作用不同所导致。NPC43细胞具有丝状伪足样突触，而NP460细胞呈片状形态。使用这些3D仿生平台进行研究发现，在较硬的双层支架平台[顶层为40/10 μm沟脊/沟槽（R/T）栅格，底层为20/10 μm R/T网格]上，NPC43细胞与NP460细胞的分离效率可达89%。此外，通过添加活性条件培养基（ACM）可使细胞具有更高的运动性和变形性，从而将分离效率进一步提高到93%。这些结果表明，研究人员可以利用设计适当的仿生工程化平台分离癌细胞和正常细胞，从而辅助实现癌症诊断和治疗。
由于聚合物芯片实验室具有高度的精准性和灵活性，将其用于设计和制造的快速原型制作方法正在兴起。例如，一个微流控平台可能需要优化阶段，而在此阶段需要不断修改结构和几何形状；然而，这只有在具有简易可控的制造方法和低成本材料的情况下才可能实现。本文描述了一个微流控工具的实现过程，从计算机辅助设计（CAD）到作为循环肿瘤细胞（CTC）捕获工具应用的概念验证。整个平台通过使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）及结合飞秒（fs）激光和微铣制造技术实现。该多层设备通过一种简便、低成本的溶剂辅助方法组装。然后通过固定能够在没有标记的情况下区分癌细胞与非癌细胞的捕获探针，实现蛇形微通道的直接生物功能化。由于低材料成本、可定制的方法以及可生物应用，已实现的平台成为即时医疗工业开发与应用的合适模型。
当下新型冠状病毒肺炎（COVID-19）的国际大流行促使全球科学家努力尝试揭秘新冠病毒HCoV-19的生物学特性。质谱分析（MS）发现，在HCoV-19 S蛋白的21个潜在糖基化修饰位点中，有20个位点完全被N-糖链占据，其糖型以低聚甘露糖为主。人血管紧张素转换酶2（hACE2）的7个糖基化位点完全被复合型N-糖链占据。然而，糖基化修饰并不能直接影响HCoV-19 S蛋白与hACE2之间的结合亲和力。另外，我们还发现了S蛋白和hACE2的多个甲基化修饰位点，以及hACE2的多个羟脯氨酸修饰位点。通过在最近发表的冷冻电镜（cryo-EM）结构的基础上加入N-糖链和蛋白质翻译后修饰（PTM），我们构建了HCoV-19 S蛋白和hACE2的精细结构模型。本研究揭示的HCoV-19 S蛋白和hACE2的PTM及糖基化图谱为研究病毒的宿主黏附、免疫反应，以及相关药物和疫苗的研发提供了更多的蛋白质结构细节。
以不典型症状起病的新型冠状病毒肺炎（COVID-19）患者在早期容易漏诊，部分患者可发展为重症甚至危重症，目前尚缺乏相关的临床研究。本研究回顾了在起病时无典型症状（呼吸道症状或发热）的重型或危重型COVID-19患者的临床、实验室和影像学特征及治疗情况，并随访至患者死亡或治愈出院。2020年1月25日至2020年2月10日期间，武汉协和医院西院共收治943例COVID-19患者，其中909例（96.4%）重型或危重型COVID-19患者中有10例（1.1%）患者在起病时无呼吸系统症状或发热。10例患者的中位年龄为63岁[四分位区间（IQR）：57~72]，其中7例为男性。从出现症状到入院的中位时间为14 d（IQR：7~20）。10例患者中有8例患有慢性基础疾病。入院时，5例患者有乏力症状（n = 5）、4例有头痛或头晕（n = 4）、5例有腹泻（n = 5）、3例有厌食（n = 3）、3例有恶心或呕吐（n = 3）以及1例患者有眼部不适症状（n = 1）。4例患者外周血淋巴细胞减少。影像学检查显示9例患者有双侧肺炎，1例有单侧肺炎。最终2例患者死亡，8例患者治愈出院。8例患者从入院到出院的中位时间为24 d（IQR：13~43）。总的来说，部分重型或危重型COVID-19 患者在起病时无呼吸道症状或发热，此类不典型患者应尽早发现和隔离，否则可能延误病情，导致住院时间延长，甚至死亡。因此，对COVID-19患者密切接触者，即使无呼吸道症状或发热，也应及时进行核酸检测或胸部CT扫描以筛查不典型症状患者。
测量柔性有机显示器件对水蒸气的高阻隔性，是确保其可靠性所面临的重大工程挑战。一方面，目前缺少10-6 g·m-2·d-1量级的水渗透率测试手段；另一方面，目前也没有标准的超阻隔样品用于渗透率测量的校准。为了对渗透过超阻隔材料的痕量水蒸气流量进行高灵敏、短周期测量，本文将渗透模型集成至基于渗透分子动态积累、检测和抽空的高灵敏质谱测量中，从而开发出了一种具有预测功能的测量仪器。通过使用标准聚合物样品进行校准，确保了测量结果的可靠性。校准后的水蒸气渗透检测下限在10-7g·m-2·d-1量级，满足超阻隔渗透的测量灵敏度要求。本文利用渗透实验数据对所开发的预测渗透模型进行了测试评估，使得利用非稳态数据预测稳态渗透率成为可能，实现在更短的时间内有效开展超阻隔测量。
锂离子动力电池（LIB）已成为各种电动载运工具的首选电源系统，包括电动汽车、电动轮船、电动火车和电动飞机。在全气候全寿命周期运行的电动载运工具中，锂离子电池的能量管理需要实时准确估计电池的荷电状态（SOC）和容量。本文提出了一种多阶段模型融合算法可协同估计SOC和容量。首先，基于正态分布假设，利用模型在不同老化状态下的残差均值和方差计算权重，建立参数稳定的融合模型。其次，将具有预测性的微分增益引入比例-积分观测器（PIO）以提高收敛速度。再次，将多阶段融合模型与比例-积分-微分观测器（PIDO）结合，建立了一种融合算法，可实现复杂应用环境下SOC和容量的协同估计。然后，讨论了融合算法的收敛性和抗噪性能。最后，搭建硬件在环平台，验证了融合算法的性能。不同老化状态和温度下的验证结果表明，融合算法可以实现SOC和容量的高精度协同估计，误差分别在2%和3.3%以内。
基于衍射光学元件的光学深度学习在并行处理、计算速度和计算效率方面有着独特优势。深度衍射神经网络（D2NN）是其中一项具有里程碑意义的研究工作。D2NN在太赫兹波段通过3D打印进行神经网络的物理固化。鉴于太赫兹波段下存在的粒子间耦合限制和材料损耗，本文将D2NN的应用波段延展至可见光波段，并提出了包括修订公式在内的一般理论，解决了工作波长、人工神经元特征尺寸和加工制备之间的矛盾。在632.8 nm的工作波长下，本文提出了一种新颖的可见光D2NN分类器，可用于原始目标（手写数字0~9）和已更改目标（被遮盖和涂改目标）的目标识别。本文获得的实验分类精度（84%）和数值分类精度（91.57%）量化了理论设计和制造系统性能之间的匹配程度。本文所提出的一般理论模型可将D2NN应用于各种实际问题或设计全新的应用场景。
受碳氢化合物污染的工业废水的产生及排放是一个重要的环境问题。污水以稳定的乳状液形式浮在水面，有时需要不同的技术来有效缓解或分离。原油乳状液和碳氢化合物污染的废水都含有悬浮固体、油/油脂、有机物、有毒元素、盐和难以处理的化学物质。一直以来，由于原油乳状液性质复杂及其产生大量的废物，如何适当处理原油乳状液是一大重要挑战。此外，从废物中回收石油将有助于满足人们对石油及其衍生物日益增长的需求。在此背景下，具有智能表面和可切换润湿性的功能性纳米结构材料因其在油水乳状液分离方面的优异性能而受到越来越多的关注。最近聚合物纳米结构材料在设计、组成、形态和微调方面的改进提高了其破乳功能。本文中，我们综述了受原油乳状液和碳氢化合物污染的废水流出物的环境影响。通过恰当的事例说明了受原油乳状液和碳氢化合物污染的废水流出物可以使用具有润湿性的智能聚合物纳米结构材料进行有效处理。本文举例讨论了油水乳状液有效分离的基本机制，并且探讨了智能材料的未来发展前景。