达索系统虚拟人体器官在药物发现中的作用

寂静回声

原文：bio-itworld艾里森·普罗菲特（Allison Proffitt）
在一个向虚拟转变的世界中，工作、娱乐、连接都变得越来越虚拟，这也就不足为奇了。这无疑是营销人员最喜欢的术语：“我们正在为从人到企业，从仪器到实验室的所有事物创建数字化双胞胎”。
达索系统虚拟人体建模高级总监Steve Levine（史蒂夫·莱文）已经沉迷于这个世界多年了，他承认这个术语“可能会变得有些复杂”。但是他也相信，在当前的疫情中，虚拟双胞胎正在影响从工程到医疗保健的各个领域，虚拟模型存在着巨大的机会。
“每天，我都能够想到该技术可以真正发挥作用的新方法，尤其是在当前这些情况下。对于许多人来说，这是头等大事：为什么我们仿佛科技如此先进，人们却感到如此无助。”
虚拟双胞胎的核心是模型，达索系统拥有悠久的建模历史。莱文解释说，1989年，达索系统公司制造了一架民用飞机的数字孪生飞机，即波音777。“在计算机上为整个喷气机建模的概念是40年前闻所未闻的。我们无法想象这样做所必需的计算能力。现在它已按常规完成。”
莱文说，人体是下一个合乎逻辑的步骤。“我们的愿望是对人体做同样的事情。在每个阶段都有我们所能理解的水平、计算能力、资源等，我们能够表达我们所知道的知识，并系统地将其组合在一起。”
2014年，达索系统推出了“活体心脏计划”，这是人类心脏的第一个逼真的3D仿真模型。莱文是“活体心脏计划”的创始人兼总监，他说这是对虚拟双胞胎的首次深入研究。在2016年，该模型获得了Bio-IT World最佳展示奖。

莱文说，虚拟双胞胎与医生头脑里的思考和想象没有什么不同。“这就是为什么他们花了很多年时间试图了解人类生理的一部分的原因：当他们获得一条数据时，他们可以将其应用到他们思考的针对你的模型，然后他们就知道下一步该怎么做了。”
但是我们的大脑只能处理有限的信息，如今，数据输入比以往任何时候都要多。不仅包括症状和实验室测试值，还包括来自心率监测器、运动追踪器等传感器的数据，以及关于我们的习惯、我们所居住的环境以及其他健康决定因素的环境信息。因此建立虚拟模型对医生来说非常有帮助。
莱文说，要充分了解人体，我们需要建立逼真的人体模型，这是达索系统公司的目标。但是现实的模型并不一定要是详尽的模型。
莱文解释说：“虚拟双胞胎价值的关键不是模型的真实性，而是模型的应用。” “如果该模型足以接受您正在获取的数据的输入并进行预测，那么该模型作为虚拟双胞胎是有效且有用的。”
这是一个广义的定义，也就是莱文说的这个术语“可能变得有点复杂”的原因之一。但是他强调，简单的模型可以和真正复杂的模型一样有效-“如果您正确地对现象进行建模”。目的不是重现自然，而是仅增加获得答案所必需的足够复杂性。
复杂程度会根据您所提出的问题而变化。莱文指出：“尽管我们已经能够将人的心脏建模到细胞水平，但是您不会在日常监测中使用它。那太复杂了。”
莱文认为全人类的模型是医疗保健模型连续体的中心：一方面是细胞模型，另一方面是人口水平的模型。他说：“如果要对细胞行为进行建模，它会与世界脱钩，但这是虚拟双胞胎的一部分。” 同样，“人口模型是社会中非常重要的虚拟双胞胎。
虽然莱文相信达索系统将实现完整的人体模型，但这并不能阻止他赞扬单个系统模型的声誉。他认为，实际上独立系统的模型减轻了更复杂的人类模型的一些隐私问题。
莱文说：“我认为您不必完全复制一个病人就可以将他们的一些个人数据用作虚拟病人。” “特别是，这些药物中的大部分以及类似的东西并不能在整个人体上起作用。它们在一个系统上运行。如果您可以对该系统进行建模，那么您将拥有该药物的重要角色。”
达索系统现在正在与FDA 进行计算机模拟临床试验，以探索这可能如何影响药物和设备的开发。该团队正在使用“活体心脏项目”来创建一组虚拟患者，以测试模拟的人造心脏瓣膜并将数据提交给FDA。两支监管者团队（一个团队对实验不了解的人，一个团队了解实验）将审查数据集。目的是看FDA是否有信心将虚拟患者作为真实患者的替代者或增强者。
莱文希望这个实验可以作为将来的计算机模拟试验的参考书 。他认为，这是进行研究的一种很有前途的方式，达索系统将把该实验的所有数据发布给业界，为下一步研究者提供参考。
在当前的FDA实验中，患者模型只是心脏，几乎没有识别特征，但仍基于真实的患者数据。莱文指出，这引发了有关我们作为一个社会如何管理人体虚拟数据的重要社会问题。如果一家设备公司希望保存该模型并将其用于测试其心脏瓣膜的下一次迭代，该怎么办？接下来呢？需要谁来同意？
他指出，还有另一种选择。虚拟患者可以不是完全基于真实的人，而是可以通过计算机生成的完整假设来表示人类变量的范围。
在当前的研究中，FDA希望真实的患者数据来验证模型。莱文解释说，他们的信念是，要显示出来医疗设备或药物在真实的人体中能正常工作，您必须将数据建立在真实的人身上。然而，所有的临床试验队列实际上只是人群的模型，莱文争辩说。“如果我们的目标是人群，那么我们真的需要经过个体才能到达那里吗？”
莱文并不这么认为。“我们不应该通过现实世界如何限制我们来限制我们自己。我们不能创建一个人来代表多个人，但是我们可以创建一个代表多个人的模型。为什么不利用这个优势呢？但是我们必须了解足够的知识，如果能够做到这一点，我们将对此充满信心。”
虚拟患者群体也可能是将急需的多样性引入临床研究的工具。首先，我们仍然需要从实际患者中识别出多样性，但是，“人与人之间相似的地方比不同的地方多得多”，莱文说。他解释说：“我们从相同的地方开始，但我们需要确保可以做出这些调整以充分覆盖多样性。” “但是对虚拟患者进行此类操作的好处是您不必每次都这样做。一旦了解了多样性，就可以将其构建到未来的虚拟患者群体中。”
在建立“活体心脏模型”时，达索系统不仅希望建立复杂的心脏模型，而且还希望联合心脏研究界，这在很多方面都比技术挑战更大。“我们作为一个社会所收集的知识多到令人难以置信，但是由于它被划分在许多不同的地方，这就像在拥有Google之前去查找信息。所有这些信息都在那里，但由于无法将所有信息整合在一起，因此功能不强大。”莱文解释说。“活体心脏模型是尝试将这些思想和数据库整合在一起，因为它们都引用相同的基础。”
除了“活体心脏模型”外，达索系统还致力于其他系统，致力于建立完整的人类模型。“事实证明，在最近几个月中，我对肺部产生了很大的兴趣！” 莱文介绍说。
此外，目前达索系统正在研究大脑模型，也已开发出用于骨骼和髋关节植入物、脚、肩和脊柱的肌肉骨骼系统。人体建模团队正在对肌肉骨骼系统进行逆向工程，以便当患者在握力测试或步行测试中发现异常时，模型可以准确预测肌肉水平的变化并开发出制药公司可以做的生物标记用于完善发展。
莱文说，这可能是非常有用的进步。例如，知道某些患者的步行速度提高了2％并不是很有效。但是，知道一组肌肉得到了增强，而另一些则没有受到影响时，“这种解决方法对于药物开发来说太棒了。”
莱文解释说，这些虚拟系统还没有一个像“活体心脏模型”那样招募同样广泛的社区，但大部分责任归咎于这次疫情和我们当前改变的现实。他确实很幸运，达索系统在“活体心脏模型”中的声誉吸引了感兴趣的合作伙伴。
莱文认为，虚拟双胞胎有很多机会在当前的疫情中扮演角色，包括治疗COVID-19和建模我们的医疗保健系统。莱文说：“我已经学到的并且真正试图向人们强调的方面之一就是不要将虚拟双胞胎视为独立的。” “这是一种工具。”
莱文指出，随着现实世界中收集到更多信息（例如我们正在使用COVID-19），可以对模型进行开发，更新和完善。他说：“虚拟模型的目标是让您获得现实世界的反馈，以便您可以更深入地了解有关诸如人体之类的复杂系统的信息。”
“但是，您知道，医疗保健不仅仅关乎个人，也与系统有关。在这种疫情大流行中，我们正在学习的部分内容是系统可能会过载。它可能不是最佳的医疗系统。了解医疗系统如何在个人身上运作以及如何通过供应链连接也是医疗保健系统的重要组成部分。” 莱文解释说。他指出，在制造业，企业花费大量时间来建模和完善他们的工厂和业务流程。医疗保健和医疗供应链也应紧随其后。最终结果可能不像为跳动的心脏建模那样闪亮，但莱文认为，这对健康当然同样重要。
“这项技术最有影响力的部分是，总体而言，医疗保健是如此复杂。它涉及许多不同的学科，它们讲不同的语言，具有不同的思维方式和理解方式，”他说。“当您实际创建虚拟双胞胎时，他们都会聚在一起。”