“數(shù)字孿生”一詞源自工程學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)，是指根據(jù)物理對象或系統(tǒng)創(chuàng)建的虛擬副本。簡單來講，數(shù)字孿生是使用高級計(jì)算模型為物理實(shí)體建立的復(fù)雜、動(dòng)態(tài)且實(shí)時(shí)形式的數(shù)字表示。

這些模型的唯一目的就是模擬對象或者過程在特定場景下的變化方式。航空航天領(lǐng)域在數(shù)字孿生的部署方面尤為成功，已經(jīng)能夠利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來預(yù)測飛機(jī)的行為方式，借此提高安全性與性能。最近，隨著AI技術(shù)進(jìn)步、大量生物數(shù)據(jù)集的出現(xiàn)以及計(jì)算能力的持續(xù)提升，數(shù)字孿生概念在醫(yī)療保健領(lǐng)域也開始獲得關(guān)注。在生命科學(xué)領(lǐng)域，數(shù)字孿生甚至能夠表達(dá)患者、細(xì)胞、器官或者其他非生物系統(tǒng)，例如為健康系統(tǒng)或者藥物制造過程建立孿生副本。

數(shù)字孿生技術(shù)擁有巨大潛力，有望徹底顛覆藥物研發(fā)方式，并為患者提供精準(zhǔn)醫(yī)療服務(wù)。這些孿生副本可以準(zhǔn)確模擬疾病演變軌跡，預(yù)測潛在療法的療效，并可用于預(yù)測患者健康及疾病發(fā)展中的各項(xiàng)要素。如此強(qiáng)大的功能將顯著減少藥物開發(fā)的時(shí)間和成本投入，并提供更具針對性的治療方法。

數(shù)字孿生與計(jì)算模型

多年以來，生命科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)積累起大量生物計(jì)算模型。這些模型使用數(shù)學(xué)議程和計(jì)算技術(shù)來模擬生物過程，例如代謝途徑與疾病進(jìn)展等。

雖然計(jì)算模型在過往的特定系統(tǒng)模擬場景下也發(fā)揮了重要作用，但卻很難在整個(gè)生物體層面以機(jī)械方式模擬數(shù)萬億個(gè)細(xì)胞以及基因與蛋白質(zhì)之間的相互作用。在這方面，數(shù)字孿生大大超越了傳統(tǒng)生物模型，因?yàn)槠洌海?）能夠?yàn)橄到y(tǒng)級物理實(shí)體建立實(shí)時(shí)模擬；（2）提供對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的集成能力，且不受機(jī)械議程的束縛；并且（3）實(shí)現(xiàn)可反映系統(tǒng)狀態(tài)的預(yù)測能力。

必須承認(rèn)，為人體生物學(xué)系統(tǒng)建立數(shù)字孿生是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。其間需要對數(shù)萬億個(gè)細(xì)胞進(jìn)行建模，并且在細(xì)胞水平上描述成千上萬個(gè)基因與蛋白質(zhì)之間再高出一個(gè)數(shù)量級的成對相互作用。雖然建立這樣一套能夠全方位模擬人體狀態(tài)的數(shù)字孿生副本尚不現(xiàn)實(shí)，但部分企業(yè)已經(jīng)在為人體生物學(xué)的特定模擬系統(tǒng)建立及應(yīng)用數(shù)字孿生方面取得了進(jìn)展。

下面來看部分在藥物發(fā)現(xiàn)和醫(yī)療保健領(lǐng)域建立數(shù)字孿生方案的廠商：

Unlearn.AI成立時(shí)間：2017年 | 總部：美國加利福尼亞州舊金山使用的數(shù)據(jù)：病患臨床試驗(yàn)；電子病歷數(shù)據(jù)。應(yīng)用案例：Unlearn.AI嘗試為臨床試驗(yàn)參與者們生成數(shù)字孿生，借此提高隨機(jī)臨床試驗(yàn)的效率和信心。這些模型能夠?qū)εR床結(jié)果進(jìn)行全面預(yù)測，減少了與臨床研究相關(guān)的時(shí)間與成本投入，因此降低了需要參加試驗(yàn)的患者數(shù)量。

Twin Health成立時(shí)間：2018年 | 總部：美國加利福尼亞州山景城使用的數(shù)據(jù)：從可穿戴設(shè)備處收集的代謝數(shù)據(jù)、生活方式資料與健康數(shù)據(jù)。應(yīng)用案例：Twin Health使用數(shù)字孿生為糖尿病患者生成個(gè)性化的健康管理策略，并為最佳健康管理與預(yù)防保健提供定制化建議。

Predictiv成立時(shí)間：2022年 | 總部：美國馬薩諸塞州貝德福德使用的數(shù)據(jù)：遺傳、健康史與生活方式數(shù)據(jù)。應(yīng)用案例：Predictiv能夠創(chuàng)建的數(shù)字孿生來預(yù)測疾病風(fēng)險(xiǎn)并提供個(gè)性化醫(yī)療干預(yù)措施，同時(shí)不斷整合最新基因研究成果。這些模型有助于根據(jù)早期疾病檢測結(jié)果量身定制治療計(jì)劃，增強(qiáng)預(yù)防保健與患者的預(yù)后恢復(fù)效果。

Predisurge成立時(shí)間：2017年 | 總部：法國里昂使用的數(shù)據(jù)：患者特定心臟檢測數(shù)據(jù)。應(yīng)用案例：Predisurge為患者開發(fā)特定的數(shù)字孿生，用以模擬其心血管系統(tǒng)中動(dòng)脈及以及瓣膜的行為模式，可用于規(guī)劃心血管疾病手術(shù)及其他醫(yī)療規(guī)程。

Q.bio成立時(shí)間：2015年 | 美國加利福尼亞州雷德伍德城使用的數(shù)據(jù)：遺傳學(xué)、生物化學(xué)、成像、定量解剖數(shù)據(jù)、生命體重、可穿戴數(shù)據(jù)、醫(yī)療、家庭與社會歷史等。應(yīng)用案例：Q.bio建立的數(shù)字孿生能夠?yàn)閭€(gè)人健康提供整體視圖，可用于預(yù)測多種疾病及解剖問題的未來生物學(xué)狀態(tài)。

現(xiàn)實(shí)用例與成功故事

在之前提到的幾家企業(yè)中，Unlearn.AI已經(jīng)在監(jiān)管層面迎來重大里程碑，包括歐洲藥品管理局（EMA）對其Procova程序的資質(zhì)審查意見草案。該程序整合了數(shù)字孿生副本，旨在提高縱向臨床試驗(yàn)的執(zhí)行效率。他們目前正在與多家制藥企業(yè)（包括默克集團(tuán)和QurAlis）合作部署其平臺，努力提高臨床試驗(yàn)的效力并分別減少免疫藥物與肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）對照組所需要的患者數(shù)量。

與此同時(shí)，Twin Health的技術(shù)成果在臨床研究中也展現(xiàn)出令人鼓舞的結(jié)果，其中95%的糖尿病患者表現(xiàn)出糖化血紅蛋白水平降低與體重減輕等改善跡象，凸顯出數(shù)字孿生在改變慢性病管理方式上的潛力。

而Predisurge的數(shù)字孿生技術(shù)也已通過臨床研究驗(yàn)證，證實(shí)其在模擬心血管干預(yù)方面的準(zhǔn)確性與有效性。該項(xiàng)技術(shù)目前已在50多家醫(yī)療中心內(nèi)得到部署，迄今為止使得500多名患者受益。

未來展望

數(shù)字孿生代表著傳統(tǒng)生物模型的重大進(jìn)步，也為醫(yī)療保健提供了一種動(dòng)態(tài)、整體以及預(yù)測性的新方法。通過整合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并配合先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)，數(shù)字孿生模型有望顛覆患者護(hù)理思路，簡化藥物發(fā)現(xiàn)并推動(dòng)主動(dòng)醫(yī)療保健的實(shí)踐落地。

在生物制藥和醫(yī)療保健研究的相關(guān)領(lǐng)域，區(qū)塊鏈與合成數(shù)據(jù)生成屬于兩項(xiàng)并行技術(shù)，能夠在數(shù)字孿生的基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)高度的協(xié)同作用。制藥企業(yè)正在收集大量研究數(shù)據(jù)、患者健康記錄以及臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)，借此獲取寶貴見解。然而，出于利用數(shù)據(jù)重新還原出病患身份的潛在風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)格的隱私法規(guī)往往會限制此類數(shù)據(jù)的共享。而使用生成模型創(chuàng)建的合成數(shù)據(jù)則既可以重現(xiàn)實(shí)時(shí)臨床或研究數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計(jì)屬性，同時(shí)又刪去了個(gè)人身份標(biāo)記并通過去中心化且不可變的區(qū)塊鏈分類賬進(jìn)行共享，因此讓大量數(shù)據(jù)在數(shù)字孿生模型訓(xùn)練中的應(yīng)用成為了可能。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生在醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用也有望進(jìn)一步擴(kuò)大，最終為精準(zhǔn)醫(yī)療與個(gè)性化治療新時(shí)代的來臨鋪平道路。