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科学通报 | 机器学习在纳米医学领域应用进展

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近日,西安电子科技大学生命科学与技术学院邓宏章教授团队在《科学通报》发表综述论文”机器学习在纳米医学领域应用进展”,系统梳理机器学习在纳米药物研发、疾病检测成像、个性化精准治疗等方向的研究现状,剖析现存技术瓶颈,并指明该交叉领域未来发展路径,为推动纳米医学从实验室走向临床转化提供重要参考。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、陕西省自然科学基础研究计划的联合资助。

纳米医学融合纳米技术与生物医学,在靶向药物递送、疾病早期筛查、医学影像增强、个体化诊疗等方面具备巨大应用潜力。但传统纳米医学研发高度依赖试错实验,纳米颗粒合成工艺复杂,纳米材料‑生物相互作用机理尚不清晰,实验周期长、成本高昂,制约了纳米医疗技术落地。机器学习凭借强大的数据挖掘、模式识别与预测建模能力,为破解上述难题提供全新技术路径。

论文系统归纳了监督学习、无监督学习、强化学习、深度学习四类主流算法在纳米医学场景的适用范围与典型案例。在纳米药物与纳米材料优化方面,机器学习可基于反应条件预测纳米颗粒尺寸、形貌,优化 mRNA 疫苗脂质纳米颗粒(LNP)配方,高通量筛选安全高效的纳米载体,把过去反复试错的研发模式转变为数据驱动的智能设计。

在疾病检测与医学成像诊断领域,机器学习赋能纳米传感、纳米探针技术。借助算法自动解析高维复杂检测信号,可实现病毒快速核酸检测、肿瘤标志物识别;结合纳米增强影像,完成癌症、神经退行性疾病的辅助判读,有效降低误诊漏检,实现检测过程自动化、高通量。同时机器学习还可用于预测纳米材料细胞毒性、蛋白冠组成,评估纳米载体体内分布,提升纳米医学产品的安全性评估效率。

研究指出,当前机器学习赋能纳米医学仍面临多重现实挑战:领域高质量标注数据集不足、数据标准化程度低;深度学习 “黑箱” 问题突出,模型缺少机理解释,不利于临床监管审批;纳米医学兼具分子、细胞、组织、患者多尺度特征,多模态异构数据融合难度大;面向 AI‑纳米医疗产品的伦理规范、监管评估体系尚不完善。

针对上述痛点,团队对未来发展方向提出展望。一是建设标准化共享数据库,结合仿真模拟扩充样本,发展小样本、迁移学习、数字孪生技术,降低对大规模实测数据的依赖;二是大力发展可解释人工智能,打通算法预测与生物机制之间的联系;三是推进大语言模型、多模态 AI 与纳米医学深度结合,开发纳米医学专家系统;四是依托 AI 技术实现依据患者个体特征定制纳米药物与治疗方案,落地真正的个性化精准医疗;五是加强科研界与监管机构协同,建立 AI 驱动纳米医疗产品评估标准,打通临床转化通道。

文章信息

赵彩艳, 刘小庆, 关良, 等. 机器学习在纳米医学领域应用进展. 科学通报, 2026, 71(23): 5650-5666. DOI: 10.1360/CSB-2025-5259.

《科学通报》是中国科学院主管、中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办的综合性中文学术期刊,致力于快速报道自然科学各学科基础理论和应用研究的最新研究动态、消息、进展, 点评研究动态和学科发展趋势。

  • 旬刊,每10天出版1期;

  • 栏目:进展、评述、快讯、论文、观点、科技前沿、科学访谈、亮点述评、悦读科学等;

  • 《新锐期刊分区表》 综合性大类1区TOP期刊;

  • 中国科技期刊卓越行动计划领军期刊;

  • 《中国科技论文与引文数据库》和《中国科学引文数据库》的源期刊,同时被EI、ESCI和Scopus等收录;

  • 期刊官网:http://csb.scichina.com.

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