香港中文大學標誌性科研突破

本文記錄香港中文大學(CUHK)歷史上最具影響力的若干科研突破。每項突破按「背景 → 突破 → 影響 → 獲獎/產業化」的脈絡展開,標註關鍵人物、年份與發表期刊/所獲獎項。文末附來源鏈接。

這些成果橫跨醫學、信息工程、物理、人工智能、農業生物技術等領域,支撐起中大「亞洲一流研究型大學」的學術聲譽;其中兩項分別通向諾貝爾獎與拉斯克獎。

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# 一、無創產前診斷(NIPT):盧煜明與「血漿中的胎兒密碼」

# 背景

二十世紀末,要檢測胎兒是否患有唐氏綜合徵(21三體)等染色體異常,臨牀上只能依靠羊膜穿刺術或絨毛膜取樣。這類侵入性手術需用長針穿過孕婦腹壁抽取羊水或胎盤組織,帶來約 0.5%–1% 的流產風險。能否在不施一針、不冒流產風險的前提下讀取胎兒的遺傳信息,是產科學界數十年未解的難題。

破題者是香港中文大學化學病理學教授盧煜明(Yuk-Ming Dennis Lo)。早在牛津大學求學期間,他便開始追問:母體血液中是否藏有來自胎兒的遺傳物質?

# 突破

1997 年,盧煜明團隊在頂級醫學期刊《柳葉刀》(The Lancet)發表里程碑論文 "Presence of fetal DNA in maternal plasma and serum"(Lo et al., Lancet, 1997, 350:485–487)。他們以 Y 染色體為標記,在懷有男胎的孕婦血漿中穩定檢測到游離胎兒 DNA(cell-free fetal DNA, cfDNA),證明胎兒的遺傳碎片確實漂浮在母親血液裏。無創產前診斷的大門由此打開。

然而,從「檢測到胎兒 DNA」到「讀出胎兒染色體是否多了一條」,中間還隔着技術鴻溝:母體血漿中胎兒 DNA 佔比很低,且與母體 DNA 高度混雜。2008 年,隨着新一代高通量測序(massively parallel sequencing)技術成熟,盧煜明團隊在《美國國家科學院院刊》(PNAS, 2008, 105:20458–20463)發表論文,首次用大規模平行測序對母體血漿 DNA 進行全基因組計數,幾近 100% 準確地識別出唐氏綜合徵(21三體)以及 18三體(愛德華綜合徵)、13三體(帕陶綜合徵)等染色體異常。原本看似無解的臨牀難題,至此化為一道測序儀可精確求解的計數題。

# 影響

NIPT(Non-Invasive Prenatal Testing)由此誕生,並迅速走向全球普及。2011 年起,基於盧煜明方法的無創產前檢測在全球商業化推廣,如今每年有數以千萬計的孕婦受惠,不必再承受羊膜穿刺的流產風險。盧煜明因此被尊為「無創產前檢測之父」。

「讀取血漿中游離 DNA」的思路隨後被反向延伸到癌症早篩:腫瘤同樣會向血液釋放帶有突變特徵的循環腫瘤 DNA(ctDNA)。盧煜明把產前診斷的原理移植到癌症檢測,開闢了「液體活檢」這一新方向。他領導的團隊在2017 年於《新英格蘭醫學雜誌》(NEJM, 2017, 377:513–522)發表大型前瞻研究:通過檢測血漿中的 EB 病毒(Epstein–Barr virus)DNA,對 20,349 名無症狀人羣進行鼻咽癌篩查,在早期階段發現癌症,患者預後隨之改善(靈敏度約 96%、特異度約 93%)。鼻咽癌在華南地區高發,這項工作的公共衞生分量也由此而來。

# 獲獎與產業化

• 2022 年拉斯克–狄貝基臨牀醫學研究獎(Lasker~DeBakey Clinical Medical Research Award):這一被稱為「美國諾貝爾獎」的榮譽,表彰盧煜明發現母體血漿中的胎兒 DNA 並據此創立無創產前診斷,使數百萬孕婦免於侵入性檢測。盧煜明現為中大李嘉誠健康科學研究所所長、associate dean,亦是英國皇家學會(FRS)院士。
• 專利與產業化版圖:盧煜明將其 NIPT 專利組合授權予 Sequenom(後者推出全球首個商業化唐氏綜合徵無創產前檢測)、Illumina 等公司,並由這些公司再分授權給數十家企業,形成龐大的產業生態。
• 行醫寶(Xcelom)/ Cirina / Grail:在癌症早篩方向,盧煜明與同事 趙慧君(Rossa Chiu)、陳君賜(Allen Chan) 共同創立 Cirina 公司,專注於癌症早期檢測。2017 年,Cirina 與美國基因檢測獨角獸 GRAIL 合併,共同打造全球多癌種早篩平台。此後盧煜明又與 Prenetics 合資成立 Insighta(投資額達 2 億美元),繼續推進多癌種早期檢測技術的產業落地。

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# 二、光纖通訊:高錕與「光纖之父」的諾貝爾之路

# 背景

二十世紀六十年代,全球通信依賴銅纜與微波,帶寬有限,損耗嚴重。玻璃纖維雖能導光,卻因雜質而使光信號在傳輸數米後急劇衰減,學界普遍認定玻璃無法用於長距離通信。

# 突破

1966 年,在英國標準電信實驗室(STL)工作的高錕(Charles Kuen Kao)與同事發表奠基性論文,從理論上論證:玻璃纖維的高損耗並非材料本身的物理極限,而是源於其中的雜質(主要是鐵等金屬離子);只要將玻璃提純到足夠純淨,使光損耗降至每公里 20 分貝以下,光纖便可成為可行的長距離通信介質。高錕同時給出了實現這一目標所需的設計參數與性能指標。這篇論文為光纖通信產業指明瞭方向,高錕因此被尊稱為「光纖之父」(Father of Fiber Optics)。

# 影響

高錕的預言在隨後數年逐一兑現:1970 年康寧公司製造出符合其標準的低損耗光纖。今日橫跨海底與大陸的光纜網絡,正是當代互聯網、電話與數據傳輸的物理骨架。

# 獲獎與中大淵源

• 2009 年諾貝爾物理學獎:高錕因「在光纖通信中光傳輸方面的開創性成就」(for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication)榮獲諾貝爾物理學獎半數獎金,另半數由發明 CCD 圖像傳感器的 Willard Boyle 與 George Smith 分享。
• 與香港中文大學的關係:高錕與中大淵源極深。1970 年他應邀回港,在中大籌建電子學系(Department of Electronics,即今日電子工程學系的前身)並任系主任。1987 年至 1996 年,高錕出任香港中文大學第三任校長(Vice-Chancellor),任內推動學術國際化與研究發展。2018 年高錕辭世後,中大設有以其命名的紀念設施以志緬懷。

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# 三、網絡編碼(Network Coding):楊偉豪、李碩彥與一門新學科的誕生

# 背景

在傳統通信網絡中,信息如同公路上的車流:每個中轉節點只負責「存儲並轉發」收到的數據包,本身並不加工內容。長期以來,人們默認這種「路由」模式已是網絡傳輸的最優解。

# 突破

2000 年 7 月,楊偉豪(Raymond W. Yeung)與 R. Ahlswede、Ning Cai(蔡寧)、李碩彥(Shuo-Yen Robert Li) 四人在《IEEE 信息論彙刊》(IEEE Transactions on Information Theory)發表奠基性論文 "Network Information Flow"。論文提出一個反直覺的思想:網絡中的中間節點不必只做「轉發員」,而可以對經過的多路信息進行編碼運算(混合、重組),再發送出去。他們嚴格證明,在多播(multicast)網絡中,這種「網絡編碼」能夠達到由最大流–最小割定理決定的理論上限,而傳統的路由/交換方式通常達不到這一上限。

這一思想催生了網絡編碼(Network Coding)這門學科。四位作者奠基的這類網絡,後來被業界稱為「ACLY 網絡」(取四人姓氏首字母)。楊偉豪自 1991 年起任教於香港中文大學信息工程學系,他與團隊在中大建立了網絡編碼研究所(Institute of Network Coding),使中大成為這一領域的世界中心之一。

# 影響

過去二十餘年間,網絡編碼滲入無線通信、分佈式存儲、內容分發、P2P 網絡等領域,提升了網絡吞吐量與魯棒性,已成為現代信息論與通信工程的標準內容,寫入各國高校教材。

# 獲獎

楊偉豪因其在信息論與網絡編碼領域的持續貢獻,獲得一系列國際最高榮譽:

• 2016 年 IEEE Eric E. Sumner Award:表彰其在網絡編碼方面的開創性貢獻。
• 2021 年 IEEE Richard W. Hamming Medal。
• 2022 年 Claude E. Shannon Award(克勞德·香農獎):這是信息論領域的最高榮譽,表彰其「對信息論領域始終如一且影響深遠的貢獻」。(注:楊偉豪常被譽為首位獲此殊榮的香港學者;「首位華人/中國學者」一説待核實——香農獎另有 2010 年得主 Te Sun Han 韓太舜等華裔背景學者,CUHK 官方新聞稿亦未作「首位中國學者」表述)

説明:克勞德·香農獎頒授年份為 2022 年(而非 2016 年);2016 年楊偉豪所獲為 IEEE Eric E. Sumner Award。兩項榮譽年份在此一併釐清。

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# 四、抗擊 SARS 與新冠:沈祖堯、許樹昌團隊的兩場戰疫

# 背景

香港中文大學醫學院依託威爾斯親王醫院(Prince of Wales Hospital, 沙田),長期身處呼吸道傳染病防控的前線。21 世紀以來兩場冠狀病毒大流行——2003 年 SARS 與 2019 年起的 COVID-19——中大團隊都在第一線。

# 突破:2003 年 SARS

2003 年 3 月,一名 SARS 患者入住威爾斯親王醫院 8A 病房,因霧化治療放大了病毒傳播,導致與之有直接接觸的 143 人(醫護、醫學生、同病房病人、探視者及家屬)感染,至 3 月 25 日已有 156 名 SARS 患者入院,幾乎全部可追溯至這一指標病例。這是 SARS 在全球範圍內最早、記錄最完整的院內暴發之一。

時任中大醫學院內科及藥物治療學系主任的沈祖堯(Joseph J. Y. Sung)親率「dirty team」(直接照護 SARS 患者的醫療團隊)堅守一線。2003 年 5 月,團隊在《柳葉刀》(The Lancet)發表 "SARS: experience at Prince of Wales Hospital, Hong Kong",系統記錄了這場暴發的臨牀特徵與診療經驗,為全球抗擊 SARS 提供了早期的關鍵證據。微生物學專家許樹昌(David S. C. Hui)、病毒學家陳基湘(Paul K. S. Chan)等也在 SARS 冠狀病毒的鑑定與研究中各有貢獻。沈祖堯因抗擊 SARS 的表現,被《時代》雜誌評為「亞洲英雄」(Asian Hero)。

# 突破:COVID-19

新冠疫情期間,中大醫學院再立新功:

• 糞便檢測:中大醫學院團隊首次發現 COVID-19 患者即便沒有任何胃腸道症狀,腸道中仍存在活躍而持續的病毒感染。據此,團隊建立了糞便病毒檢測方法。對於難以配合鼻咽拭子採樣的嬰幼兒,糞便樣本採集更便捷、安全、無創,結果亦準確,因而成為兒童新冠篩查的更優選擇。中大隨後設立了面向兒童的冠狀病毒檢測中心,用以識別無症狀的「隱形傳播者」。
• 兒童與疫苗研究:中大團隊在兒童感染特徵、疫苗安全性與公眾接種信心等議題上持續發聲。曾經的「SARS 英雄」沈祖堯及多位專家呼籲醫學界以科學事實增強市民對新冠疫苗安全性的信心。

# 影響與地位

兩場戰疫確立了中大醫學院在新發傳染病研究與臨牀應對上的國際聲譽。沈祖堯後於 2010–2017 年出任香港中文大學校長;許樹昌在新冠期間擔任香港特區政府抗疫顧問及世衞專家,是公共衞生決策中的一個科學聲音。

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# 五、消化道內鏡與微創治療:沈祖堯、趙偉仁與「內鏡機器人」

# 背景

消化道出血、消化性潰瘍與胃腸道腫瘤都是高發而兇險的疾病。傳統外科手術創傷大、恢復慢。如何從人體自然腔道進入、不開刀就完成診療,是微創醫學的核心追求。香港中文大學消化疾病研究所(Institute of Digestive Disease)是這一領域的全球重鎮。

# 突破

沈祖堯(Joseph J. Y. Sung) 作為消化病學家,其研究橫跨消化道出血、幽門螺桿菌感染、消化性潰瘍與胃腸道腫瘤:

• 幽門螺桿菌與潰瘍:沈祖堯團隊證實了幽門螺桿菌(Helicobacter pylori)與消化性潰瘍的因果關係,並率先證明:為期一週的抗生素療程即可根除幽門螺桿菌感染,治癒消化性潰瘍,並顯著降低複發率。這一發現改變了全球潰瘍病的治療範式。
• 內鏡止血:他與團隊開創性地以內鏡治療替代外科手術來處理潰瘍出血,大幅減少了開腹手術的需求。2009 年,他憑藉在消化性潰瘍出血方面的系列研究榮獲 Marshall and Warren Lecture Award,並獲德國胃腸病學會的內鏡獎。

趙偉仁(Philip Wai-Yan Chiu) 是新一代微創與機器人內鏡的領軍者。他現任中大醫學院院長、信興教育及慈善基金機器人外科教授,兼任多尺度醫療機器人中心(Multi-Scale Medical Robotics Center)主任與內鏡中心主任。其團隊的標誌性成果包括:

• 「鷹爪」(Eagle Claw)內鏡縫合裝置:在臨牀前研究中被證明能安全有效地為大出血潰瘍止血並閉合胃壁切口。
• 內鏡機器人 / 柔性手術機器人:團隊研發出可完成內鏡黏膜下剝離術(ESD)——包括組織牽引與剝離——的原型機器臂,並通過活體動物實驗驗證,推動「從實驗台到臨牀」的轉化,用於消化道癌症的微創治療。

# 影響與地位

趙偉仁是「上消化道國際機器人協會」(UGIRA)創始人及執行委員,主導了內鏡機器人系統用於結腸 ESD 等多項可行性與安全性研究,使中大成為內鏡微創與醫療機器人的國際創新樞紐。

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# 六、人工智能與深度學習:湯曉鷗、DeepID 與商湯科技

# 背景

人臉識別長期被視為機器難以企及人類水平的任務。在公開基準 LFW(Labeled Faces in the Wild)數據集上,人類的識別準確率約為 97.5%,這個數字一度被當作機器難以逾越的天花板。

# 突破

湯曉鷗(Xiaoou Tang)是香港中文大學信息工程學系教授。早在 2001 年,他便在中大創立多媒體實驗室(Multimedia Laboratory, MMLab)——這是全球最早專注於深度學習研究的實驗室之一。

2014 年,湯曉鷗的中大團隊在人臉識別上接連取得歷史性突破:

• 2014 年 3 月,團隊的 GaussianFace 算法在 LFW 數據集上達到 98.52% 的準確率,首次超越人眼識別水平。
• 2014 年 6 月,DeepID 系列深度學習算法將準確率推高至 99.15% → 99.55%,既擊敗了 Facebook 的 DeepFace,也跨過了實際應用的門檻。

在計算機視覺領域,這是深度學習最具象徵意義的里程碑之一:機器在一項特定視覺任務上正式超過了人類。

# 影響與產業化

• 商湯科技(SenseTime):2014 年 10 月,為將這一技術產業化,湯曉鷗與徐立(Xu Li)等共同創立商湯科技。商湯一度成為全球估值最高的人工智能初創企業之一,業務覆蓋人臉識別、智慧城市、自動駕駛、醫療影像等領域,是「中大孵化的 AI 獨角獸」的代表。
• 學術傳承:湯曉鷗的 MMLab 培養了大批活躍於全球 AI 學術界與工業界的人才,影響了深度學習在視覺領域的走向。湯曉鷗於 2023 年底辭世,被譽為「中國 AI 的普羅米修斯」。

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# 七、其他重要突破

# (一)大豆耐逆基因:林漢明與「拯救鹽鹼地的種子」

林漢明(Hon-Ming Lam)是中大生命科學學院教授、農業生物技術國家重點實驗室主任。

• 耐鹽基因克隆(2014):林漢明團隊從野生大豆中成功鑑定並克隆出一個新的耐鹽基因,成果發表於《自然·通訊》(Nature Communications, 2014)。
• 野生大豆參考基因組:由林漢明領導的國際合作團隊完成了世界首個參考級別的野生大豆基因組,為全球大豆遺傳研究與品種改良奠定了重要基礎。
• 產業落地:團隊攜耐鹽基因信息與內地育種家合作,培育出可在鹽鹼旱地種植的大豆品種。三個新的抗逆大豆品種在甘肅省通過正式審定,並已應用於中國西北的半乾旱與旱災地區,把實驗室成果落到了國家糧食安全這一現實關切上。

# (二)再生醫學、中醫藥現代化與量子科技

中大在多個前沿方向亦有持續佈局:

• 再生醫學:中大設有相關研究中心,在幹細胞、組織工程、神經與骨科再生修復等方向開展研究,並與醫學院、醫療機器人團隊形成交叉。
• 中醫藥現代化:中大中醫學院與中藥研究所致力於以現代科學方法(質量標準、藥理機制、臨牀循證)推動傳統中醫藥的標準化與國際化。
• 量子科技:中大物理系等在量子信息、量子材料等方向開展前沿探索,呼應全球量子科技的競爭浪潮。

注:本節(七)中再生醫學、中醫藥、量子三項為中大的重要研究方向概述,具體標誌性成果與團隊細節可在後續版本中結合最新進展進一步充實。

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