Biomedicīna apvieno attīstošās molekulārās medicīnas aspektus strukturālā un funkcionālā vienumā, ietverot cilvēka genomu, transkribtomu, proteomu, fiziomu un metabolomu. Biomedicīna darbojas diapazonā no molekulu mijiedarbības līdz kopsakarībām in vivo (visa organisma) līmenī ar galveno mērķi radīt jaunas tehnoloģijas slimību prognozēšanai, diagnostikai un terapijai.

Biomedicīna ir daudzu zinātņu nozaru un to apakšnozaru apvienojums: molekulārās bioloģijas, bioķīmijas, biotehnoloģijas, šūnu bioloģijas, embrioloģijas, nanobiotehnoloģijas, nanomateriālu, biomateriālu, bioinženierijas, citoģenētikas, ģenētikas, gēnu terapijas, bioinformātikas, biometrijas, sistēmu bioloģijas, parazitoloģijas, mikrobioloģijas, virusoloģijas, imunoloģijas, fizioloģijas, patoloģijas, anatomijas, toksikoloģijas, epidemioloģijas, farmakoloģijas, audu inženierijas, sabiedrības veselības un citu nozaru, kas saistītas ar dabas zinātnes pielietošanu medicīnā.

Biomedicīna ir mūsdienu medicīnas un laboratoriskās diagnostikas stūrakmens, kas skar plašu zinātņu un tehnoloģiju loku, sākot no in vitro (mēģenē jeb ārpus organisma) diagnostikas līdz in vitro apaugļošanai, no cistiskās fibrozes molekulāro mehānismu izpētes līdz cilvēka imūndeficīta vīrusa (Human immunodeficiency virus, HIV) populācijas dinamikas izpētei, no molekulu mijiedarbības pētījumiem līdz karcinoģenēzei, no viena nukleotīda polimorfisma līdz gēnu terapijai. Atkarībā no slimības nopietnuma pakāpes biomedicīna atrod slimības cēloni un ārstē šo cēloni, bet tradicionālā medicīna fokusējas uz slimības ārstēšanu, nevis uz kopējās veselības uzlabošanu.

Biomedicīnas galvenais uzdevums ir radīt jaunus medikamentus un ārstēšanas terapijas. Tomēr nepieciešamība izprast dzīvības procesus, molekulu mijiedarbību organismā, slimību izcelsmi, attīstību, izplatību, kā arī vajadzība uzlabot diagnostiku, medicīnas ierīces un nemedikamentozās terapijas norāda uz to, ka biomedicīnai ir krietni plašāka nozīme kā jaunu medikamentu izgudrošanai. Cilvēku dzīves ilguma palielināšanās un dzīves kvalitātes uzlabošanās pēdējos gadsimtos ir tiešs pierādījums nozares praktiskajai nozīmei. Starp nozīmīgākajiem biomedicīnas sasniegumiem ir dažādu vakcīnu atklāšana un ieviešana, jaunu medikamentu izveide un ieviešana sarežģītu slimību (diabēta, augsta asinsspiediena, aterosklerozes, iegūta imūndeficīta sindroma (acquired immune deficiency syndrome, AIDS), vēža) ārstniecībā. Biomedicīnas pētījumu rezultāts ir arī antibiotiku atklāšana, kā arī modernu ķirurģisku metožu un diagnostikas rīku ieviešana praktiskajā medicīnā.

Pamatā biomedicīnas teorijām ir divi uzdevumi: veselības uzlabošana un slimību ārstēšana. Abas teorijas (veselības un slimības) balstās uz idejām par to, kā saglabāt veselību un kāpēc rodas slimības. Slimību rašanās vēsturiski ir ietvērušas idejas par “dvēseles pazaudēšanu”, tārpiem vai imūnās sistēmas novājināšanos. Antropologi teorijas par slimībām iedala divās kategorijās: personalizētās un dabiskās jeb naturālās teorijas. Personalizētās teorijas uzskata, ka slimības izraisa svēti, pārdabiski spēki un būtnes, to tieša personalizēta ietekme. Dabiskās teorijas slimību izcelsmi skaidro bezpersoniski – dabiskā vidē ķermenis ir līdzsvarā, bet, kad līdzsvars tiek izjaukts, attīstās slimība. Mūsdienu biomedicīna balstās uz teorijām par dabiskiem slimību izraisītājiem. Šīs teorijas attīstās. Piemēram, mikroorganismu teorija par slimību (germ theory of disease) attīstījusies no agrākās smakas teorijas par slimību (miasma theory of disease), kas uzskatīja, ka slimība rodas no puvušu dārzeņu izdalītās indes. Vēl 18. gs. vidū strīdējās par to, vai holēru izraisa smaka vai ūdenstilpnēs mītošs patogēns.

Biomedicīnu konceptualizē metafora “ķermenis – aparāts”, veidojot galveno pieņēmumu, ka diagnostikai un ārstēšanai jābalstās uz zinātnisku pētījumu datiem.

Biomedicīnā pielietoto pētniecības metožu klāsts ir milzīgs, ietverot ķīmijas, fizikas metodes, matemātiskas un datorizētas simulācijas, in vitro eksperimentus, dzīvnieku modeļu pētījumus, cilvēka epidemioloģiskos pētījumus un klīniskos izmēģinājumus.

Simulācijas tiek pielietotas sākotnējos pētniecības posmos. Tās palīdz ātri un neieguldot lielus resursus izvērtēt sākotnējos eksperimentos iegūto datu nozīmību, paaugstināt esošo datu efektivitāti, kā arī izveidot jaunas idejas tālākiem pētījumu virzieniem. Lai gan simulācijas nespēj aizstāt laboratoriskos eksperimentus, tomēr mūsdienu tehnoloģiju attīstības ērā tām ir arvien lielāka nozīme eksperimentu gaitas prognozēšanā, kā arī laboratorisko eksperimentu daudzuma samazināšanā.

In vitro eksperimenti jeb eksperimenti “mēģenē” ir laboratoriskie izmeklējumi, kas noris, izmantojot dažādus audus, šūnas un molekulas. Šādi eksperimenti noder sākotnējos vai vēlākos pētniecības posmos. In vitro eksperimentu pieeja ļauj noskaidrot atsevišķus, no pārējā organisma ietekmes un vides ietekmes atdalītus procesus, piemēram, kāda enzīma darbības mehānismu, tā uzbūvi un funkcijas, neņemot vērā pārējā organisma ietekmi uz tā darbību, vai arī – kādas mutācijas ietekmi uz konkrēta proteīna uzbūvi un funkcijām. Tomēr ar in vitro eksperimentiem nepietiek, lai pilnībā izprastu konkrētu dzīvības mehānismu, jo eksperimenti “mēģenē” neļauj spriest par to, kā šis process norisinās dzīvā, sarežģītā organismā.

Šim nolūkam tiek izmantotas dzīvnieku modeļu pētījumu metodes. Ētisku apsvērumu dēļ dzīvnieku modeļu sistēmas pielieto reti, izmantojot tās tikai pētījumu noslēdzošajā daļā. Pilnīgi izslēgt šāda veida pētījumus pagaidām nevar, jo bez šiem eksperimentiem nav iespējams izprast konkrēto mehānismu, medikamentu vai citu pētāmo objektu darbību sarežģītā organismā. Dzīvniekus eksperimentos lieto, jo tie ir vistuvākās sistēmas cilvēkam (satur līdzīgus audus, šūnas, orgānus), tos viegli pavairot un turēt kontrolētos apstākļos, lai izslēgtu apkārtējās vides ietekmi uz konkrētā procesa pētniecību, vai tieši pretēji – izpētītu kāda atsevišķa vides faktora ietekmi uz organismu izolēti no pārējiem vides apstākļiem.

Klīniskos pētījumus cilvēkos pielieto pētījumu galējā stadijā, piemēram, kad jaunatklāts medikaments dzīvnieku modeļu pētījumos ir pierādījies efektīvs un nekaitīgs, lai to lietotu cilvēku ārstēšanai. Klīniskos pētījumus cilvēkos iedala trīs fāzēs. Pirmā fāze ietver nelielu veselu brīvprātīgo cilvēku grupu, kuros pēta kāda medikamenta absorbciju, transportu, metabolizēšanu, izvadīšanu no organisma un terapeitiskā efekta ilgumu. Otrā fāze ietver lielāku skaitu (100–300) brīvprātīgu pacientu, kuros pārbauda jaunatklātā medikamenta efektivitāti. Bieži vien, paralēli otrās fāzes klīniskajiem eksperimentiem, tiek veikti arī dzīvnieku modeļu pētījumi, lai noskaidrotu pētāmā preparāta drošību un nekaitīgumu. Trešā fāze ietver lielu brīvprātīgo pacientu skaitu (1000–3000), kuros tiek apstiprināti iepriekšējās pētījumu fāzēs iegūtie rezultāti un noskaidrotas jaunizveidotā medikamenta blaknes. Tikai veiksmīgi noslēdzoties trešajai klīniskajai fāzei, veic jaunatklātā medikamenta reģistrēšanu, lai to ieviestu ārstēšanā. Klīniskie pētījumi cilvēkos prasa daudz laika un resursu: jaunatklātais medikaments, kura testēšana uzsākta pirmajā fāzē, veiksmes gadījumā plašākai publikai būs pieejams ātrākais pēc 11 gadiem.

Epidemioloģiskie pētījumi ir cilvēku pētniecības metode, kas pēta slimību biežumu un izplatību populācijā. Epidemioloģiskos pētījumus iedala trīs daļās: eksperimentālajā, raksturojošajā un novērošanas. Eksperimentālā epidemioloģija ir cilvēku ekvivalents dzīvnieku pētījumiem, kuros pārbauda kādas vielas toksiskumu vai uzlabojošās īpašības. Šādi pētījumi ir strikti ierobežoti ētikas un legālu apsvērumu dēļ. Raksturojošā epidemioloģija analizē veselības problēmu izplatību dažādās populācijās, cenšoties atrast saistību ar populāciju atšķirīgām iezīmēm, piemēram, diētu, gaisa kvalitāti, apdzīvotību. Novērojošā epidemioloģija izmanto un statistiski apstrādā datus no indivīdiem vai mazām cilvēku grupām, lai noskaidrotu un apstiprinātu kāda parametra saistību ar slimību. Epidemioloģiskie pētījumi ļauj zinātniekiem tieši aplūkot kādu ķīmisku vai slimību izraisošu aģentu ietekmi uz cilvēkiem, kas pakļauti šiem aģentiem ikdienā. Šādi pētījumi lietderīgi, lai noskaidrotu slimību un ievainojumu izplatību, kas palīdz atrast to cēloņus.

Pirmie raksti, kas apliecina medicīnisko pētījumu esamību, atrodami Vecās Derības Daniela grāmatā. Tajā aprakstīts, kā Babilonijas valdnieks pavēlēja trīs gadus visiem augstdzimušiem pārtikā lietot tikai vīnu un sarkano gaļu, bet pārējiem – pupas un ūdeni. Eksperiments tika veikts, lai noskaidrotu, vai dārzeņu un ūdens diēta ir veselīgāka par vīnu un sarkano gaļu. Pēc eksperimenta tika secināts, ka tauta, kas ēda dārzeņus un dzēra ūdeni, bija ievērojami veselīgāka. Zinātkāre noskaidrot dažādu aģentu ietekmi uz veselību ir zināma gadsimtiem. Līdz ar fizioloģijas un bakterioloģijas attīstību 19. gs. sāka veidoties sadarbība starp iestādēm, kas veic bioloģiskus laboratoriskos eksperimentus, un veselības aprūpes iestādēm. Kopā tās aizsāka modernu profesionālo medicīnu. Neskatoties uz bakterioloģijas izgudrojumiem (piemēram, bakterioloģiskām kultūrām, atklājumiem diagnostikā, difterijas antitoksīna atklāšanu), tai vēl nebija lielas ietekmes uz 20. gs. sākuma veselības aprūpes sistēmu. Tam piemērs ir tuberkulozes vēsture industriālajā Eiropā. Neskatoties uz atklājumiem saistībā ar šo slimību (piemēram, tuberkulozes agrīnu diagnosticēšanu, pirmējām vakcīnām), tikai pēc antibiotiku ēras sākšanās 1940.–1950. gadā, kad sākās ķīmiķu un bakteriologu sadarbība gan akadēmiskajās, gan industriālajās laboratorijās, sākās uzlabojumi “baltā mēra” kontrolēšanā. Līdz ar to biomedicīna kā apzināta nozare izveidojās tikai pēc Otrā pasaules kara.

Solis uz priekšu biomedicīnas attīstībā tika sperts 1945.–1975. gadā, kad notika izmaiņas pētniecības finansēšanas sistēmā, to sākot finansēt valdībai. 1948. gadā tika izveidots Nacionālais veselības institūts (National Institute of Health, NIH) Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV), kas kļuva par sākuma punktu tālāko gadsimtu investīcijām biomedicīnas pētniecībā. Finansējums, kas ļāva sadarboties dažādām nozarēm, lai pētītu līdzekļus cīņai ar tuberkulozi, vēzi un kardiovaskulārām slimībām, izveidoja spēcīgu saikni starp zinātni, tehnoloģijām un medicīnu, radot jaunu domāšanas veidu. NIH arī mūsdienās veic apjomīgāko biomedicīnas pētījumu finansēšanu pasaulē un atbild par inovācijām, kas uzlabojušas mūsdienu veselības aprūpi.

Neskatoties uz apjomīgo finansējumu nozarē gan no valdības, gan no privāto kompāniju puses (piemēram, no zāļu ražotājiem), mūsdienās nozarē vērojama neliela stagnācija (ja skatās pēc reģistrēto medikamentu un iekārtu skaita). Viens no iemesliem ir pārlieku liela konkurence pēc resursiem un pozīcijām, lai veiktu izpēti. Šāda konkurence mazina kreatīvismu, riska uzņemšanos un inovatīvu domāšanu, kas nepieciešama fundamentālu pētījumu veikšanai. Nozari bremzējošs aspekts ir arī pieaugošais skaits pētījumu, kurus nav iespējams atkārtot citās izpētes grupās.

Populārākās institūcijas: Nacionālais veselības institūts (National Institute of Health, NIH) Betesdā, Mērilendā, ASV; Hārvardas Universitāte (Harvard University) ASV; Kembridžas Universitāte (University of Cambridge) Lielbritānijā. 

Vadošās institūcijas: Nacionālie veselības institūti (National Institutes of Health, NIH), ASV – lielākais biomedicīnas pētījumu centrs pasaulē ietver 27 institūtus un centrus, kas nodarbojas ar pētniecību dažādās biomedicīnas, medicīnas un veselības aprūpes apakšnozarēs, finansē arī citu institūtu pētniecību; Nacionālais biotehnoloģiju informācijas centrs (National Center for Biotechnology Information, NCBI), ASV – daļa no ASV Nacionālās medicīnas bibliotēkas (United States National Library of Medicine) – uztur biotehnoloģijai un biomedicīnai svarīgas datubāzes, ieskaitot gēnu banku, DNS sekvences un bibliogrāfijas datubāzi ar biomedicīniska rakstura literatūras avotiem; Molekulārās un šūnu bioloģijas institūts (Institute of Molecular and Cell Biology, IMCB) Singapūrā – attīsta biomedicīniskos pētījumus, specializējas slimību veidošanās ceļu izpētē, vēža pētniecībā, struktūrbioloģijā un citās ar biomedicīnu saistītās apakšnozarēs. 

Amerikāņu bioķīmiķis un molekulārais biologs Deivids Baltimors (David Baltimore) – specializējies viroloģijā, imunoloģijā, HIV, vēža pētniecībā, biotehnoloģijās; gēnu inženierijas pamatlicējs; ieguvis Nobela prēmiju fizioloģijā vai medicīnā par atklājumiem audzēju vīrusu un šūnas ģenētiskā materiāla mijiedarbībā (1975). Amerikāņu imunologs Entonijs Fauci (Anthony Stephen Fauci) – specializājies HIV un AIDS pētniecībā, sniedzis lielu ieguldījumu sfērā par HIV vīrusa graujošo iedarbību uz organismu un AIDS progresēšanu. Amerikāņu biologs Kreigs Mello (Craig Cameron Mello) – specializējies molekulārajā medicīnā; atklājis RNS interferenci (Nobela prēmija, 2006). Franču virusologs Liks Montenjē (Luc Antoine Montagnier) – specializējies imunoloģijā, 1983 atklājis HIV vīrusu (Nobela prēmija, 2008). Vācu bioloģe Kristiāne Nīslaina-Folharda (Christiane Nüsslein-Volhard) – specializējusies attīstības bioloģijā; Nobela prēmijas laureāte fizioloģijā vai medicīnā par ģenētiskajiem pētījumiem embriju attīstībā (1995). Japāņu biologs Sinja Jamanaka (山中 伸弥) – specializējies cilmes šūnu pētniecībā; ieguvis Nobela prēmiju fizioloģijā vai medicīnā par atklājumu, ka nobriedušas šūnas ir iespējams pārvērst par cilmes šūnām (2012). 

Nozīmīgākie periodiskie izdevumi ir dažādu biomedicīnas apakšnozaru žurnāla Nature izdevumi: Nature Biotechnology (kopš 1886. gada, Nature Publishing Group); Nature Cell Biology (kopš 1999. gada, Nature Publishing Group); Nature Genetics (kopš 1992. gada, Nature Publishing Group); kā arī Science (kopš 1880. gada, American Association for the Advancement of Science); Cell (kopš 1974. gada, Cell Press).