51年前，阿波羅13號(hào)被送入太空。升空之后不久，飛船就遇到了一次巨大的爆炸。飛船中寶貴的氧氣開始泄露到太空，飛船里三名宇航員陷入了危急之中。

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時(shí)鐘滴答，美國宇航局在休斯敦的任務(wù)控制團(tuán)隊(duì)不停地工作。他們?nèi)绾尾拍茉\斷并解決漂浮在200,000 英里之外太空中的物理資產(chǎn)的故障?

值得慶幸的是，美國宇航局有 15 個(gè)用來訓(xùn)練即將執(zhí)行任務(wù)的宇航員的模擬器。這些帶有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高保真模擬器是“數(shù)字孿生”的前身。它們被用來復(fù)制受損的航天器，并在對(duì)機(jī)組人員的成功營救中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

今天，人體的數(shù)字孿生是生命科學(xué)領(lǐng)域中的最新趨勢。制藥公司正在探索這項(xiàng)技術(shù)，以改變藥物的開發(fā)和患者的護(hù)理。

什么是數(shù)字孿生?

數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)世界中的人、物理實(shí)體或過程的虛擬副本。例如，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字孿生是機(jī)器的精確虛擬副本，這個(gè)副本由人工智能 (AI) 提供支持。發(fā)動(dòng)機(jī)上的傳感器收集到的數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)地傳輸?shù)綌?shù)字孿生中。這讓飛機(jī)工程師們能夠監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，并預(yù)測故障可能會(huì)在何時(shí)出現(xiàn)。

現(xiàn)在，想象一下，為一個(gè)真人構(gòu)建數(shù)字孿生模型，這個(gè)模型可以復(fù)制他們?cè)谔囟ㄇ闆r下的行為和反應(yīng)。你可以跟蹤他們的健康狀況，診斷疾病并安排預(yù)防性的治療計(jì)劃。

雖然在虛擬世界中完全復(fù)制人類仍然是不可能的(謝天謝地!)，但在今天，即使是部分復(fù)制也能帶來非常顯著的好處。

為什么數(shù)字孿生技術(shù)在醫(yī)療保健中如此重要?我們可以用它們來測試新藥，以確定藥物的安全性和有效性。如果我們?cè)?2020 年就能夠使用這種技術(shù)，那么新冠肺炎的疫苗本可以提前幾個(gè)月問世，挽救數(shù)百萬人的生命。

為什么臨床試驗(yàn)需要一些顛覆

今天，臨床試驗(yàn)面臨著四重挑戰(zhàn)，讓藥物的開發(fā)不完美、緩慢、不可預(yù)測，甚至是不安全。

1.它們沒有準(zhǔn)確地代表真實(shí)世界

現(xiàn)實(shí)世界中的人口數(shù)量龐大而且多樣，可是按照設(shè)計(jì)，臨床試驗(yàn)只能涉及其中的一小部分人。地球上生存著數(shù)十億人，而臨床試驗(yàn)無法重現(xiàn)每個(gè)人基于自身獨(dú)特的身心狀況對(duì)藥物的反應(yīng)。

2.很少有試驗(yàn)?zāi)芗皶r(shí)招募到所需的患者

因?yàn)檠芯咳藛T無法招募到合適的患者，有一些臨床試驗(yàn)永遠(yuǎn)都無法產(chǎn)生結(jié)果。制藥公司使勁渾身解數(shù)，希望招募到指定數(shù)量和類型的患者以滿足臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)的嚴(yán)格規(guī)范。實(shí)際上，患者招募的挑戰(zhàn)導(dǎo)致了80%的試驗(yàn)被推遲。

3.并非每個(gè)患者都接受試驗(yàn)的新藥治療

在絕大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)中，有高達(dá)一半的患者得到的實(shí)際上是安慰劑或者假藥。這有助于對(duì)比患有特定疾病的患者在未給予試驗(yàn)藥物時(shí)的反應(yīng)。但是這也意味著至少有一半報(bào)名參加試驗(yàn)并希望接受新藥物治療的患者并沒有得到它。

4.并非所有的試驗(yàn)藥物都如同預(yù)期的那樣安全

根據(jù)設(shè)計(jì)，臨床試驗(yàn)評(píng)估試驗(yàn)藥物的安全性和有效性。盡管監(jiān)管機(jī)構(gòu)會(huì)進(jìn)行檢查和控制，以提高藥物發(fā)現(xiàn)的安全性，但是試驗(yàn)仍然有可能產(chǎn)生嚴(yán)重的不良后果，嚴(yán)重的甚至可能導(dǎo)致死亡。這阻止了很多患者報(bào)名參加臨床試驗(yàn)，而那些參加臨床試驗(yàn)的人也不免惴惴不安，擔(dān)心安全的問題。

數(shù)字孿生技術(shù)可以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)：

• 覆蓋范圍：數(shù)字孿生可以模擬各種患者的特征，表現(xiàn)藥物對(duì)更廣泛人群的影響。
• 速度：人工智能可以針對(duì)各種納入和排除標(biāo)準(zhǔn)，提供患者可得性的可見性，并以這種方式簡化試驗(yàn)設(shè)計(jì)。
• 可預(yù)測性：有了數(shù)字孿生預(yù)測患者反應(yīng)，就不需要安慰劑或假藥了。因此，參與試驗(yàn)的每一位患者都可以放心使用新的治療方法。
• 安全性：通過減少真實(shí)世界測試需要的參與患者數(shù)量，數(shù)字孿生可以最大限度地減少早期藥物的危險(xiǎn)影響。

不過，這里最大的問題是，數(shù)字孿生是否已經(jīng)做好準(zhǔn)備，在今天的藥物發(fā)現(xiàn)中承擔(dān)這些責(zé)任。

現(xiàn)實(shí)還是科幻小說：數(shù)字孿生技術(shù)在醫(yī)療保健中的發(fā)展?fàn)顩r

我們?nèi)蕴幱趯?shù)字孿生應(yīng)用于生命科學(xué)的早期階段。今天，研究人員們使用簡單的數(shù)字孿生來模擬人體的分子和細(xì)胞功能——而不是在臨床試驗(yàn)中模擬患者的整體反應(yīng)。

Unlearn.AI是一家創(chuàng)業(yè)企業(yè)，該公司已經(jīng)籌集了超過1700萬美元的資金，用于構(gòu)建試驗(yàn)用數(shù)字孿生。該公司的首席執(zhí)行官Charles Fisher表示：“我們還沒有達(dá)到可以模擬一個(gè)人的實(shí)際生化反應(yīng)的階段。”他補(bǔ)充表示：“我們?cè)谏飳W(xué)方面還有很多尚未理解之處，也沒有數(shù)據(jù)。所以，我們沒有致力于預(yù)測患者對(duì)全新療法的反應(yīng)。”

大多數(shù)臨床試驗(yàn)將患者分為兩組：治療組接受試驗(yàn)藥物，對(duì)照組接受安慰劑或模擬藥物。對(duì)照組可以幫助確定特定疾病患者在沒有接受新療法時(shí)的反應(yīng)。

制藥公司首先在對(duì)照組方面嘗試使用數(shù)字孿生技術(shù)。Fisher 解釋說，“我們可以從成千上萬的人那里搜集縱向的患者數(shù)據(jù)，以了解他們對(duì)治療的反應(yīng)。這種做法將這個(gè)挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)變成了一個(gè)尋常的機(jī)器學(xué)習(xí)問題，你可以從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)。”他表示：“我們正在試圖預(yù)測患者接受現(xiàn)有的治療后會(huì)發(fā)生什么情況。”

近年來，在患者護(hù)理領(lǐng)域使用人工智能的呼聲不斷高漲。在新冠肺炎疫情肆虐的時(shí)候，這種趨勢愈發(fā)明顯。據(jù)報(bào)道，美國食品和藥品管理局(FDA)正在制定監(jiān)管框架對(duì)此加以監(jiān)督。Fisher表示：“我們目前正在接受FDA和歐洲藥品管理局(EMA)的資格認(rèn)證核查，以驗(yàn)證我們是否符合當(dāng)前的監(jiān)管要求。”

哪些疾病可能率先看到數(shù)字孿生的使用?那些我們擁有高質(zhì)量、高維臨床試驗(yàn)和真實(shí)世界數(shù)據(jù)的領(lǐng)域是最有可能的。例如，Unlearn 正在研究神經(jīng)系統(tǒng)疾病——例如阿爾茲海默癥和多發(fā)性硬化癥。

可能會(huì)阻礙數(shù)字孿生使用的三大障礙

通常，阻礙人工智能創(chuàng)新成為主流的最大障礙都與技術(shù)本身無關(guān)，算法和模型準(zhǔn)確性方面的突破性進(jìn)展已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。盡管這些進(jìn)展勢頭很好，然而數(shù)據(jù)收集、用戶采用和受信應(yīng)用程序并沒有跟上節(jié)奏。

1.醫(yī)療保健行業(yè)面臨著數(shù)據(jù)規(guī)模太小而且過于雜亂的挑戰(zhàn)

微軟的首席醫(yī)學(xué)科學(xué)家及英國國民健康服務(wù)(NHS)的執(zhí)業(yè)醫(yī)師Junaid Bajwa表示：“健康不僅僅和你的生物特征有關(guān)，它還包括你的基因組、社會(huì)決定因素以及介于兩者之間的所有因素。”他補(bǔ)充表示，“我們需要使用更多關(guān)于這些參數(shù)的數(shù)據(jù)，以使數(shù)字孿生更加個(gè)性化。”

在拓展新的患者數(shù)據(jù)來源時(shí)，我們還必須修復(fù)我們已有的數(shù)據(jù)。Fisher 補(bǔ)充表示：“今天，電子健康記錄(EHR)的存在主要是為了通知患者賬單信息，而不是為了推動(dòng)研究的發(fā)展。”他表示，數(shù)字孿生技術(shù)的下一個(gè)重大里程碑不會(huì)出現(xiàn)在人工智能研究方面，而是會(huì)來自解決醫(yī)療保健領(lǐng)域數(shù)據(jù)規(guī)模小、而且雜亂的問題方面。

希望已經(jīng)出現(xiàn)了。來自可穿戴設(shè)備和移動(dòng)電話等設(shè)備的數(shù)據(jù)流可以提供高保真的真實(shí)世界數(shù)據(jù)。23andMe 和 Datavant 等公司正在努力提高高質(zhì)量醫(yī)療保健數(shù)據(jù)的可用性，以供研究工作使用。

2.改變心態(tài)和行為不是一件容易的事

就算創(chuàng)新者們想方設(shè)法，建立了一個(gè)完美的數(shù)字孿生，能夠模擬患者的行為，我們會(huì)立刻采用它嗎?技術(shù)創(chuàng)新的歷史表明，情況恐怕不會(huì)如此順利。

Bajwa 指出，“在我的臨床實(shí)踐中，如果我被要求對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行一天的診斷，然后第二天對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的人再重復(fù)一邊同樣的過程，我會(huì)覺得這很奇怪。”改變技術(shù)和流程可能很容易，但是改變一個(gè)人的心態(tài)卻并不簡單。

Bajwa打趣說：“要等到新冠肺炎的疫情襲來，人們才會(huì)愿意通過視頻會(huì)議進(jìn)行在線咨詢。”他表示：“這項(xiàng)技術(shù)(視頻會(huì)議)已經(jīng)存在了十多年了，它在方便連接和公平方面的潛力是顯而易見的。然而，我們卻花了這么長的時(shí)間，甚至是要等到一場全球性的大危機(jī)來臨，才會(huì)接受這種低風(fēng)險(xiǎn)的改變。”

3.人工智能的信任、隱私和偏見等棘手問題

我們已經(jīng)討論了應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的益處，但我們也不能回避這種做法可能帶來的有害后果。Bristol Myers Squibb的副總裁兼數(shù)字化戰(zhàn)略負(fù)責(zé)人Shwen Gwee補(bǔ)充表示：“雖然我們需要高分辨率的數(shù)據(jù)才能夠讓數(shù)字孿生的使用變得有意義，但是我們必須平衡這種效用和信任、隱私和偏見等問題。”

患者們是否可以相信他們個(gè)人的數(shù)字孿生不會(huì)被用于他們不同意的藥物或者場景中進(jìn)行測試?此外，今天的臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)集無法很好地代表不同的人種和種族。使用這種帶有偏見的數(shù)據(jù)來訓(xùn)練數(shù)字孿生可能會(huì)導(dǎo)致它無法準(zhǔn)確地代表人群中的特定部分。

Fisher斷言，“我認(rèn)為你根本無法創(chuàng)建出沒有偏見的人工智能算法。”他表示：“因?yàn)槿斯ぶ悄苁鞘軘?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，它會(huì)反映數(shù)據(jù)中的偏見。我們必須專注于如何在臨床試驗(yàn)中使用算法進(jìn)行預(yù)測，而不是試圖讓算法變得完美。”同樣，解決方案并不取決于技術(shù)，而是取決于正確的流程、人文關(guān)懷和人類的參與。

人工智能驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生技術(shù)的美好未來

雖然，數(shù)字孿生技術(shù)可以通過在臨床試驗(yàn)中合成對(duì)照組來開啟一場革命，但是這種技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域擁有的潛能卻大得多。積極應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)收集、用戶采用和受信應(yīng)用程序三大挑戰(zhàn)可以幫助這種技術(shù)成為主流。

數(shù)字孿生技術(shù)在遙遠(yuǎn)的未來會(huì)變成什么樣子?

Fisher表示：“我看到了安全減少臨床試驗(yàn)規(guī)模的可能——比如說減少25%。”他表示：“這可以對(duì)醫(yī)藥研究和患者產(chǎn)生乘數(shù)效應(yīng)。它將能夠讓每一家生物技術(shù)和制藥公司都能更快、成本更低廉地開展臨床試驗(yàn)。”

Bajwa以個(gè)人經(jīng)歷為例，分享了癌癥患者所經(jīng)歷的痛苦。“盡管目前有一些治療選擇，例如手術(shù)、化療或者免疫療法，但是為患者找到最好的藥物仍然處于在黑暗中摸索的階段。”

Bajwa暢想了數(shù)字孿生技術(shù)能夠如何改變這種治療方式的未來。“假設(shè)我的多學(xué)科臨床團(tuán)隊(duì)有一位癌癥患者——一位來自倫敦郊區(qū)的、50歲的母親，她有兩個(gè)孩子。我們能夠在患者的數(shù)字孿生上嘗試所有可能的組合，以找到量身定制的最佳治療方案?快速準(zhǔn)確地做到這一點(diǎn)可以為個(gè)人提供最佳的生活質(zhì)量。這可以幫助數(shù)百萬人在對(duì)抗癌癥這種疾病中存活下來。”

他總結(jié)稱，這將是數(shù)字孿生技術(shù)的美好未來。