新型冠状病毒肺炎的病原学及临床诊治研究

项目负责人:医学院附属第一医院 李兰娟

 

新冠肺炎疫情是百年来全球发生的最严重的传染病大流行,是新中国成立以来我国遭遇的传播速度最快、感染范围最广、防控难度最大的重大突发公共卫生事件。科学家们也一直致力于揭开它的神秘面纱:新冠病毒为什么传染性这么强?它究竟长什么样?人类如何战胜它?

为有效控制疫情,传染病诊治国家重点实验室在李兰娟院士的领衔下,进行病原学、临床特征、发病机制、临床诊治等的攻关研究。一方面,科研团队想要弄清楚新冠病毒与其他冠状病毒及普通的流感病毒在生物结构上是否有区别,以揭示病毒的致病机制;另一方面,研发疫苗同样也需要病毒精细结构解析。

团队使用自主开发的高分辨冷冻电镜断层成像技术,重构出全球首个完整新冠病毒三维结构,率先总结武汉外地区新冠肺炎的临床特征和重症化机制,创立新冠肺炎临床诊治浙江经验。

该研究让全球首次看清真实新冠病毒的分子结构,使世界对新冠病毒的认识更进一步,对疫苗研发、中和抗体治疗、抗疫科普教育等具有重要指导意义。研究成果发表于《细胞》《英国医学杂志》等国际重要期刊。病毒结构学研究成果被国际顶尖结构生物学家称为里程碑式的工作,被多本重要刊物多次引用并得到充分肯定。

 

 

重大外生冲击对我国粮食、能源“双安全”的影响机制研究

项目负责人:公共管理学院 龚斌磊

 

近年来,新冠疫情、气候变化、技术变革等重大外生冲击频发,识别这些冲击对粮食能源安全的影响机制并提出推进农业和能源高质量发展的路径,对全面夺取疫情防控和经济社会发展双胜利、筑牢经济社会发展安全线至关重要。

浙大卡特资源环境与农业发展(READ)研究团队,针对新冠疫情、气候变化、技术变革等外生冲击,在短期和中长期对农业和能源行业产生何种影响?是否会产生粮食与能源危机?这一关键问题,创建了新增长核算模型,并实证研究上述外生冲击对农业和能源产业的长短期影响机制,模拟不同情景下产业发展走势,并提出新发展格局中增加战略性行业发展韧性的政策建议。

研究在发展经济学顶刊JDE、农经顶刊AJAE、环境经济学顶刊JAERE、能源经济顶刊EJ、食物安全顶刊GFS、生产率研究顶刊JPA和管理学顶刊ManagementSci-ence发表(含录用)一系列高水平论文。相关成果还获得国务院领导、工程院院士、顶级智库主管等专家的好评,并被《人民日报》客户端、经济观察报、新闻晨报等媒体重点报道。

 

 

 

铁磁量子相变与奇异金属行为

项目负责人:物理系 袁辉球

 

量子相变是当前凝聚态物理的一个重要前沿研究领域。当长程磁有序在非温度参量调控下而被逐渐抑制到绝对零度时,强烈的量子临界涨落可以诱导丰富的量子态或者量子现象。先前的研究表明,反铁磁量子临界点广泛存在于重费米子体系、铜基高温超导体和铁基超导体等关联电子材料中,超导的出现往往与反铁磁量子临界紧密相关。另一方面,人们也一直在寻找铁磁量子临界点,探索与之相关的新颖物态以及量子相变的普适性,但尚未发现铁磁量子相变存在的确凿证据。因此,人们逐渐形成共识:巡游铁磁材料体系中不存在铁磁量子临界点。

团队经过长期探索,取得重要突破。研究成果于20203月发表在《自然》期刊。该发现揭示了一种新型的电子集体运动模式,打破了先前人们认为铁磁量子临界点不存在的普遍共识,为研究铁磁量子相变和奇异金属行为的起源提供了范例,对揭示量子相变的普适行为具有重要科学意义,同时也有助于理解铜基高温超导体中的线性电阻行为以及与之相关的高温超导机理。

 

 

 

气固催化反应的直观成像

项目负责人:材料科学与工程学院 王勇

 

90%以上的化学品和材料跟催化反应相关,如何从原子、分子分辨水平上,直接观察催化反应,一直是人们追求的梦想。尽管通过不同研究手段,可以间接得到一些相关信息,但受实验手段的限制,人们至今未曾直接看到水分子如何在催化剂表面发生反应。得益于球差校正技术和原位技术的发展,虽然人们可以在透射电子显微镜中对气体或液体环境中的固体样品进行原子尺度成像,然而由于无法得到足够的信号,在透射电镜中原位观察催化剂表面活性位点上气体分子的吸附活化与催化反应依然是一个巨大的挑战。团队利用近年来兴起的环境电子显微学方法,解决催化研究(表面科学)中的关键科学问题。项目的创新点在于提出了催化剂表面活性位点有序化的思路,并设计了一种具有特殊表面结构的催化剂:具有(1×4)重构的(001)表面的锐钛矿TiO2纳米晶;利用此催化剂表面特殊的活性位点列凸起结构,使吸附于此的气体分子沿活性位点列方向投影叠加,电镜成像衬度显著增强,从而解决了电镜观察中气体分子难以成像的瓶颈性难题。202014日,该项成果在线发表于《科学》。

 

 

“分子围栏”材料催化甲烷低温氧化制甲醇

项目负责人:化学工程与生物工程学院 肖丰收

 

本研究创新性地提出控制扩散而提高催化性能的新策略,原创性地提出分子围栏催化剂设计理论和方法,通过将金属纳米颗粒封装于沸石晶体内部,并在沸石外表面构筑疏水壳层,实现金属颗粒、亲水孔道和疏水表面高效耦合的新型催化材料。在低温甲烷氧化反应中,由于疏水壳层的分子围栏效应,过氧化氢物种被富集在沸石晶体内部形成局部高浓度,较传统反应体系浓度提升五个数量级。得益于这一特性,在70度下,突破性地得到17.2%的甲烷转化率并且保持甲醇选择性在92%,是同类反应体系中的最高水平,相关成果发表于《科学》杂志。

该方法通过反应过程中关键物种富集,实现催化过程中扩散与反应的高效协同,获得同体系中迄今为止的最高甲醇产率,从而解决甲烷低温难以活化的巨大挑战,以及高甲烷转化率和高甲醇选择性不可兼得的领域难题。不仅为甲烷的低温氧化提供新的催化体系,也为多相催化剂的设计提供了新的思路。

 

 

 

人类细胞图谱的绘制与应用

项目负责人:医学院 郭国骥

 

近年来,不断涌现的单细胞组学技术正在带来一场细胞检测、分类和鉴定的方法学革命。

研究团队对60种人体组织样品和7种细胞培养样品进行了高通量单细胞测序分析,系统性地绘制了跨越胚胎和成年两个时期、涵盖八大系统的人类细胞图谱,建立了70多万个单细胞的转录组数据库,鉴定了人体100余种细胞大类和800余种细胞亚类,开发了单细胞比对系统,并搭建了人类细胞蓝图网站。

此外,通过跨时期、跨组织和跨物种的细胞图谱分析,团队发现细胞分化经历了从混乱到有序的状态变化过程,揭示了一个具有普适性的细胞命运决定机制。

该研究首次从单细胞水平上全面分析了胚胎和成年时期的人体细胞种类,研究数据将成为探索细胞命运决定机制的资源宝库,也将对人体正常与疾病细胞状态的鉴定带来深远影响。在未来,临床医生有望通过参照正常的细胞来鉴别异常的细胞状态和起源。成果发表于2020326日《自然》期刊。

 

 

媒介昆虫传播植物 DNA 病毒的分子机制

项目负责人:农业与生物技术学院 王晓伟

 

农作物生长发育过会受到许多病虫害的侵染,其中病毒病是一类重要病害。大部分的植物病毒依赖一些微小的昆虫,如蚜虫、飞虱、粉虱、叶蝉等传播。

详细阐明这些昆虫传播病毒的生物学特征,有助于研发出高效防控病毒病的新策略;进一步的,如果能阐明介体昆虫获取病毒、病毒在介体昆虫体内运动和复制、以及病毒如何被分泌和传播到新的寄主植物体内的分子机制,就有可能发现昆虫体内与病毒传播相关的蛋白,进而研发干扰这类蛋白功能的新技术,阻断病毒的传播。

团队近十余年聚焦介体昆虫传播植物DNA病毒的细胞机制和分子机制,开展了一系列卓有成效的研究。项目针对媒介昆虫如植物DNA病毒,揭示了病毒在介体昆虫体内运动的重要细胞机制,发现病毒在介体昆虫唾液腺中特异性复制并阐明了复制的分子机制,确定了介体昆虫传播病毒的一个关键受体蛋白,为研发阻断病毒传播的新方法提供了分子靶标。

 

 

 

低空飞行器智能监测关键技术及应用

项目负责人:信息与电子工程学院 史治国

 

以多旋翼无人机为主的小型无人机已广泛应用到工业、军事、民用等领域,在其市场快速增长时,无人机的黑飞滥飞也对个体及公共安全形成了巨大的威胁和挑战,因此,研发一套完整有效的技术手段以实现无人机监测和防范迫在眉睫。

为攻克上述难题,本项目从基础理论、关键技术到系统实现展开全方位研究,研发了一系列智能低空慢速小型无人机监测技术及成套系统:针对复杂图像背景下广视角与远距离的技术矛盾,发明了分布式主从协同智能检测跟踪方法,作用距离超过3000米。针对低空飞行器声音检测所面临的特征湮没难题,发明了基于增强信号的多特征融合残差神经网络检测跟踪方法,作用距离超过200米。针对电磁干扰条件下不同类型飞不行器的特征识别难题,发明了先识别干扰再全频扫描的时序特征学习无人机检测方法,作用距离超过5000米。针对综合监测系统实现难的问题,开发了信号融合效率高、计算实时性好、容错性能强的的多元传感融合技术,实现了多层次全天候智能无人机防护系统方案。研究成果应用于社会与军事等多个领域且效益显著。

 

 

小胶质细胞通过补体依赖的突触清除介导遗忘

项目负责人:医学院基础医学系 谷岩

 

研究运用转基因小鼠和病毒载体,对记忆印迹细胞进行特异性的标记追踪以及调控,从而深入研究了小胶质细胞与记忆印迹神经元之间的相互作用方式,及介导记忆遗忘的机制。研究不但揭示了记忆遗忘的机制,同时也让我们更加深入地了解记忆在大脑中的编码和存储机制。另外,对于进一步揭示小胶质细胞在大脑中复杂的生理功能有重要的意义。

在一些病理条件下,记忆的遗忘被显著增强,从而造成了健忘症或失忆症;而在另一些疾病中,负性记忆难以消除。这些记忆与遗忘的障碍都为患者带来巨大不便与痛苦,为社会和家人带来巨大的负担。本研究从小胶质细胞的角度,开启了解开这些病理条件下造成记忆障碍的分子机制的新途径。通过这项研究,我们将以小胶质细胞对神经元突触联系的作用分子通路为靶点,为病理条件下的记忆障碍机制提供新的理论基础,并为其预防和治疗提供新的策略和药物靶点。本研究论文发表于20202月的《科学》期刊。

 

 

靶向铁死亡防治心肝疾病

项目负责人:医学院王福俤闵军霞

 

本研究创新点包括:全球首次发现铁过载引发纤维化、阿霉素心肌病、缺血再灌注等重大疾病关键新机制——铁死亡;靶向抑制铁死亡可有效逆转心肝脏器损伤进程,为心脏病及肝病相关防治提供崭新策略。

首次揭示转铁蛋白、金属离子转运蛋白SLC39A14、胱氨酸转运蛋是SLC7A11及硫氧还蛋白还原酶TXNRD等是调控肝脏铁死亡关键分子;首次揭示了铁蛋白及Hmox1通过调控铁死亡抑制心肌病的生理效应及分子机制,这些新分子的发现为靶向心肝疾病提供了新思路。

首次阐明铁死亡抑制剂、铁螯合剂、沉默SLC39A14、补充转铁蛋白或激活膜蛋白Slc7a11等策略等可有效阻抑心肝组织损伤,系列重大成果为疾病防治带来了颠覆性新策略。

建立世界首个药物诱导肝脏铁死亡实验小鼠模型以及药物阿霉素诱导心肌铁死亡小鼠模型;建立第一个可遗传心肌铁死亡小鼠模型(Fth心肌细胞敲除)。这些实验成果为铁死亡疾病防治建立了可靠且高效的实验模型,为心肝疾病机制和新药研发将带来巨大推动作用。

 

 

支架法肠道转流术的创建及临床应用

项目负责人:医学院附属邵逸夫医院 蔡秀军

 

项目针对临床问题进行医工信合作研究解决问题的原创性研究成果。研发出可崩解肠道转流支架,创建支架法肠道转流术替代传统的回肠造口术。

研发的新型可崩解肠道转流支架,由此创建的支架法肠道转流术,不仅能有效保护低位直肠吻合口,预防瘘的发生,而且避免了造口回纳手术。杜绝了肠造口本身引起的并发症和回纳手术的并发症。可崩解转流支架的崩解是可控的,不同病情设计支架的崩解时间也不同:一般病人3周崩解,术前病灶经过放、化疗的病人4-5周崩解。治疗周期大大缩短(由3-6个月缩短至3周),减轻了病人的痛苦,节约了医疗资源。该术式操作简便,吻合时间短、人体内无异物永久残留。

可崩解肠道转流支架为原创性研究成果,支架法肠道转流术操作简便易掌握,无异物永久残留;既能满足保护低位直肠吻合口的要求,又避免了回纳手术;杜绝了造口及回纳手术可能导致的并发症。显著改善了患者术后生活质量,缩短了治疗周期,减轻了病人痛苦,节约了医疗资源,对我国医疗器械行业技术进步和产业结构升级起到了显著的推动作用。