一、前言

儘管目前美國擁有強大的生物醫學研究生態體系，但目前仍有許多疾病，包括癌症、傳染病等疾病，仍嚴重影響著美國人民的健康。為了加速生醫研究，2022年美國政府投入10億美元成立新的研究機構-高等衛生研究計畫局(Advanced Research Projects Agency for Health, ARPA-H)，以引領高風險、高回報之生醫研究，並加速突破性解決方案之應用和實施。

自ARPA-H成立至今已推出17項計畫(Programs)，依照應用可區分為癌症、淋巴系統疾病、細胞療法與再生醫學、數據與網路安全、公共衛生等應用。本文將介紹前述四項應用之計畫，包括預計解決之醫療與社會問題，以及預期目標。公共衛生應用相關計畫請參閱圖一介紹。
 

二、癌症診斷與治療

(一) ADAPT (Advanced Analysis for Precision cancer Therapy)-精準癌症治療的先進生物標誌分析
(1) 現況與挑戰
腫瘤具有易突變之特性，多數發生擴散的癌細胞會發展出治療藥物的抗藥性，導致醫師要持續調整治療方法來應對腫瘤突變，甚至需採用二線治療或副作用較強烈的治療方式。因此需要發展出更精確和個人化的治療方案，以提高療效並減少副作用。

(2) 目標與規劃
ADAPT計畫旨在利用系統生物學、生物資訊學、數學模型和腫瘤學等領域之先進知識與技術，透過追蹤治療前、治療期間和治療後的腫瘤變化，並建立癌症生物標誌物資料庫，包括生物標誌物和抗癌藥物演算法、協議與不斷演進的數據，使臨床醫生得以利用前述工具找出腫瘤的變化，並且準確預測患者對哪些療法有效，從而提高癌症患者的存活率。

(二) PSI (Precision Surgical Interventions) – 精準手術視覺化
(1) 現況與挑戰
每年有近200萬美國人被診斷出癌症。對於實體腫瘤，醫師通常會採用手術方式進行治療。然而，由於腫瘤與健康組織之間缺乏明顯的邊界，往往需要多次手術才能完全切除腫瘤。這不僅延長了患者的住院時間，還增加了手術的風險。類似的挑戰也出現在其他疾病的手術中，例如心臟外科和骨科手術中，神經、血管和淋巴管等重要結構與周邊組織之間亦難以區分。

(2) 目標與規劃
PSI計畫將利用化學、光學、機器學習和生物醫學工程等技術，開發先進手術影像工具與顯影技術，如新的癌細胞螢光顯影劑、短波紅外線(Short Wave InfraRed，SWIR)影像系統、腹腔鏡整合影像解決方案等，幫助外科醫生在手術過程中精確地辨識出腫瘤邊界，並且辨識出神經、血管和淋巴管等重要組織的3D結構。

(三) POSEIDON (Platform Optimizing SynBio for Early Intervention and Detection in Oncology) – 以合成生物學為基礎的居家多種癌症早期檢測平台
(1) 現況與挑戰
僅管目前政府不斷呼籲與建議長者與高風險族群進行癌症篩檢，但迄今的乳腺癌、子宮頸癌、大腸癌等居家癌症檢測技術仍難以檢測到第一期的癌症，且許多癌症需要到後期症狀出現時才會被發現，嚴重影響患者健康。

(2) 目標與規劃
POSEIDON 規劃利用合成生物學技術開發一款創新的居家多種癌症早期檢測(Multi-Cancer-Early Detection, MCED)技術，僅透過呼吸或使用尿液等樣本即可對 30 多種實體腫瘤進行第1期癌症的檢測，以大幅提高患者的治癒機會與存活率。同時，此檢測技術能與電子健康記錄整合，使患者能方便於居家進行管理，並且能於96小時內與附近之醫護人員聯繫進行後續的醫療。
 

三、淋巴系統疾病診斷與治療

(一) LIGHT (Lymphatic Imaging, Genomics, and Phenotyping Technologies ) - 淋巴系統成像、基因體學和表型分析技術
(1) 現況與挑戰
淋巴系統在人體健康扮演著重要角色，且癌症、肥胖、心臟衰竭、腎臟、肝臟疾病、自體免疫疾病和神經退化性疾病等疾病皆與淋巴系統相關。然而淋巴管細小且半透明，目前缺乏有效的視覺化與檢測工具來協助醫師診斷淋巴系統疾病，導致患者易被誤診，延誤治療的時機。

(2) 目標與規劃
LIGHT計畫旨在開發先進的成像技術，以及基因體學和表型分析工具，來改進淋巴系統疾病的診斷和治療。具體目標包括：探尋關鍵生物標誌物，以診斷與監測淋巴系統疾病；發展有助於評估全身淋巴結構和功能的先進成像技術；發展先進的遺傳學技術與淋巴疾病模型。

(二) GLIDE (Groundbreaking Lymphatic Interventions and Drug Exploration ) - 淋巴系統疾病治療
(1) 現況與挑戰
許多慢性病會伴隨著淋巴功能障礙。然而目前的淋巴系統疾病的物理治療方式僅能緩解症狀(如穿著壓力衣)，但無法治癒淋巴結構和功能異常，且現有藥物須終身服用，並可能產生嚴重的副作用。

(2) 目標與規劃
GLIDE計畫旨在開發針對異常淋巴結構和功能的新物理與藥物治療方式。在物理治療方面，GLIDE將發展顯微手術、放射線介入性治療 (interventional radiology ) 、壓迫或其他物理/機械治療方式，以改善淋巴結構和功能。在藥物方面，GLIDE 將著重於能修復、再生或緩解淋巴阻塞等淋巴功能障礙的基因與細胞療法。
 

四、細胞療法與再生醫學

(一) ＰＲＩＮＴ (Personalized Regenerative Immunocompetent Nanotechnology Tissue) -以3D列印技術生產個人化器官
(1) 現況與挑戰
目前器官移植需求者面臨嚴重的器官短缺問題，患者在等待器官捐贈的過程中，常面臨著病情惡化甚至死亡的風險，美國每年有數千名患者在等待匹配時死亡。此外，移植後需要終身服用免疫抑制藥物降低器官排斥反應，這不僅增加了治療成本，還降低了患者的生活品質。

(2) 目標與規劃
ＰＲＩＮＴ計畫旨在利用先進的生物列印技術和再生醫學方法，使用患者自身的細胞或生物資料庫中的細胞，藉由3D生物列印技術列印出與患者免疫系統相匹配的器官，以解決器官短缺的問題，同時減少患者對免疫抑制藥物的需求，提高器官移植的可及性和成功率。此外，該計畫還包括大規模細胞製造技術的開發和器官生物製造的安全性與有效性測試，以確保移植器官的功能與有效性。

(二) NITRO (Novel Innovations for Tissue Regeneration in Osteoarthritis ) - 軟硬骨再生療法
(1) 現況與挑戰
骨關節炎(Osteoarthritis)是一種常見的退化性疾病，美國目前約有3200萬人罹患此疾病，且估計隨著人口老化，罹患人數將急劇上升。當前治療方式通常透過侵入性的骨移植(Bone Graft)與鈦合金植入物代替受損的軟骨與關節。然而侵入式外科手術存在感染、移植排斥、種植失敗以及再次手術等風險，且具備手術費用高昂等缺點。

(2) 目標與規劃
NITRO計畫旨在開發創新技術，以促進骨關節炎患者的組織再生，減少對侵入性手術的需求。具體目標包括：使用新材料和創新生物工程技術，刺激軟骨和硬骨再生，以修復受損的關節結構；開發由患者自身細胞製成的替代性關節，此關節能刺激骨骼生成，不需要骨板與螺絲等裝置作永久固定，且不會被免疫系統排斥，從而減少再次手術的機會。

(三) EMBODY (Engineering of Immune Cells Inside the Body)-體內免疫細胞工程
(1) 現況與挑戰
目前細胞療法使用的細胞生產製造過程複雜、昂貴且耗時，通常需要在專業的實驗室內製造，並且只能在少數專科醫院進行治療。此外，生產製造成本高，也導致細胞療法價格昂貴，限制細胞療法的普及。

(2) 目標與規劃
EMBODY計畫旨在開發一個適應性強且成本低廉的平台，能直接於患者體內訓練與修飾免疫細胞，不需要將患者細胞取出再運送至實驗室培養，從根本上改變細胞療法的開發和提供方式，以消除細胞療法的時間、成本和獲取障礙。此計畫將著重於下列技術領域，包括：(1)細胞專一性遞送技術以及可程式化與可控制的基因編輯技術與材料；(2)支持細胞生產與驗證之方法，包括能降低製造成本、改進生產品質控制的技術。

(四) REACT(Resilient Extended Automatic Cell Therapies) – 以細胞工程技術與植入式生物電子裝置實現疾病即時監測與治療
(1) 現況與挑戰
未能正確服用處方藥物(即藥物依從性差)是美國目前面臨的一項主要問題。儘管美國慢性病的患病率日益增加，但目前有多達50%的成年人未能按規定服藥，導致許多疾病治療成效不彰。尤其是對於患有記憶力喪失、關節炎或其他行動受限的患者，定時服藥問題更加嚴重。

(2) 目標與規劃
REACT計畫將利用合成生物學、材料和生物電子學之先進技術開發兩類可植入式的生物電子裝置，以解決藥物依從性差的問題。第一類裝置是活體藥局 (Living Pharmacy ) ，此裝置含有工程化的細胞，能根據治療需求，釋放特定的治療物質，並配有控制系統調節劑量。另一類裝置為活體哨兵 (Living Sentinel ) ，此裝置將使用細胞來檢測疾病的關鍵生物標誌物，且會即時傳遞資訊給患者。前述兩類裝置將在門診手術中植入患者體內，並能與軟體與應用程式連接，讓用戶可以直接追踪自己的病情。

(五) THEA（Transplantation of Human Eye Allografts）-人眼異體移植
(1) 現況與挑戰
目前角膜移植等眼科手術技術已經相當普及，但迄今仍無有效的方式能治療視網膜和視神經退化而導致的視力喪失問題，包括青光眼、黃斑部病變等，僅能減緩視力的損失。

(2) 目標與規劃
THEA計畫將利用新興的顯微外科手術、基因與細胞療法等先進醫療技術，推動全功能眼組織移植技術的發展，以恢復患者與盲人的視力。計畫將著重於下列技術發展，包括(1)捐贈者眼睛修復與保存技術；(2)視神經修復和再生技術；(3)手術流程、術後護理和功能評估工具，以找出能預防術後發炎或排斥反應發生的最佳療法。
 

五、數據整合與網路安全

(一) UPGRADE (Universal Patching and Remediation for Autonomous Defense ) - 網路威脅自主防禦系統
(1) 現況與挑戰
由於各家醫院提供的醫療服務、使用設備、採購供應商和患者類型各不相同，導致要確保醫院聯網設備的數位安全變得相當困難。即使是短暫的IT系統中斷也可能嚴重影響到醫療服務，尤其是那些對患者健康和安全至關重要的設備更是需要受到保護。另外，由於醫院聯網設備龐大且複雜，且醫療IT資源有限，對設備停機進行測試和修補更新的容忍度低，導致安全系統的更新常常面臨著嚴重阻礙。

(2) 目標與規劃
UPGRADE計畫旨在開發一個網路威脅自主防禦系統，能透過數位孿生技術，來主動評估院內各系統的潛在漏洞。當系統偵測到網路威脅，就會自動採購或開發補救措施(例如修補程式)，並且在數位孿生中進行測試。測試後系統亦會挑選在對醫院使用的設備造成最小干擾的情況下進行部署，以保障醫院營運安全，讓所有醫護人員能專注於醫療服務，並確保患者護理的連續性。

(二) DIGIHEALS (ARPA-H Digital Health Security Initiative) - 數位健康安全倡議
(1) 現況與挑戰
醫療設備遭受網路攻擊可能會使醫療設備與系統關閉，導致患者護理中斷。然而，現有的網路安全工具難以偵測與應對會影響醫療設施安全的新興網路威脅，尤其是對農村和醫療資源不充裕之社區，網路威脅可能會嚴重削弱其提供照護服務的能力。因此，需要開發先進的網路安全技術，確保患者在醫療設施遭受網路攻擊後能繼續接受醫療照護。

(2) 目標與規劃
前一項計畫UPGRADE旨在保護醫療系統和網絡，此計畫DIGIHEALS則著重於個人應用程式和醫療設備的網路安全，如個人健康照護裝置。關注的技術領域包括：漏洞偵測和自動修補技術、網路推理技術(cyber reasoning techniques)、先進網路安全協定等。

(三) ARPA-H BDF Toolbox (Biomedical Data Fabric Toolbox ) - 生物醫學資料整合工具
(1) 現況與挑戰
目前，醫學數據來源分散，且格式和標準各異，使得數據的獲取與分析過程繁瑣，效率低下，且現有技術仍難以將各醫院與實驗室之數據直接整合與共享，限制了醫學數據於科研應用的進展，以及創新治療方案的開發。

(2) 目標與規劃
ARPA-H BDF Toolbox計畫旨在發展新的生物醫學資料結構(Biomedical Data Fabric)工具，從而得以將全美國數千個實驗室與研究單位的生物醫學研究數據串聯，並且克服數據格式與標準差異的阻礙。此計畫預計達成多項目標，包括：降低資料即時收集的障礙；實現大規模多源資料分析；研究員得以直觀地探索與利用資料；維護利害關係人隱私與安全；生物醫學資料結構工具能適用於不同疾病領域。