Виртуальный физиологический человек
«Виртуальный физиологический человек » ( VPH ) — это европейская инициатива, направленная на создание методологической и технологической основы, которая после создания позволит совместно исследовать человеческое тело как единую сложную систему . [1] [2] Коллективная структура позволит обмениваться ресурсами и наблюдениями, сформированными учреждениями и организациями, создавая разрозненные, но интегрированные компьютерные модели механических, физических и биохимических функций живого человеческого тела.
VPH — это структура, которая призвана быть описательной, интегративной и прогнозирующей. [3] [4] [5] [6] Клэпворти и др. заявляют, что структура должна носить описательный характер, позволяя «собирать, каталогизировать, организовывать, распространять и объединять лабораторные и медицинские наблюдения по всему миру любым возможным способом». [5] Оно должно быть интегративным, позволяя совместным анализу этих наблюдений соответствующими специалистами с целью создания «системных гипотез». [5] Наконец, он должен быть прогнозирующим , поощряя взаимосвязи между расширяемыми и масштабируемыми прогностическими моделями и «системными сетями, которые закрепляют эти системные гипотезы», позволяя при этом сравнивать результаты наблюдений. [5]
Структура формируется большими коллекциями анатомических , физиологических и патологических данных, хранящихся в цифровом формате, обычно с помощью прогнозного моделирования, разработанного на основе этих коллекций, и службами, предназначенными для поддержки исследователей в создании и обслуживании этих моделей, а также в создании технологий конечного пользователя для использования в клинической практике. Модели VPH направлены на интеграцию физиологических процессов в различных масштабах и во времени (многомасштабное моделирование). [3] Эти модели делают возможным сочетание данных о конкретном пациенте с популяционными представлениями. Цель состоит в том, чтобы разработать системный подход, который избегает редукционистского подхода и стремится не подразделять биологические системы каким-либо конкретным образом по размерному масштабу (тело, орган, ткань, клетки, молекулы), по научным дисциплинам ( биология , физиология , биофизика , биохимия). , молекулярная биология , биоинженерия ) или анатомические подсистемы ( сердечно-сосудистая , скелетно-мышечная, желудочно-кишечная и др.). [5]
История
[ редактировать ]Первоначальные концепции, которые привели к инициативе «Виртуальный физиологический человек», пришли из проекта IUPS Physiome Project . Проект был начат в 1997 году и представлял собой первую всемирную попытку дать определение физиома посредством разработки баз данных и моделей, которые облегчили понимание интегративной функции клеток, органов и организмов. [7] Проект был сосредоточен на составлении и предоставлении центрального хранилища баз данных, которое объединило бы экспериментальную информацию и вычислительные модели из многих лабораторий в единую самосогласованную структуру.
После запуска проекта «Физиом» во всем мире появилось множество других слабо связанных между собой инициатив, направленных на разработку методов моделирования и симуляции патофизиологии человека. В 2005 году в рамках конференции «Функциональная визуализация и моделирование сердца» в Барселоне был проведен экспертный семинар по физиоме, где был опубликован официальный документ. [8] под названием « На пути к виртуальному физиологическому человеку: многоуровневое моделирование и симуляция анатомии и физиологии человека» . Целью данного документа было сформировать четкий обзор текущих соответствующих мероприятий VPH, достичь консенсуса о том, как они могут быть дополнены новыми инициативами для исследователей в ЕС, а также определить возможные среднесрочные и долгосрочные исследовательские задачи.
В 2006 году Европейская комиссия профинансировала акцию по координации и поддержке под названием «ШАГ: Структурирование еврофизиома» . Консорциум STEP способствовал значительному процессу достижения консенсуса, в котором приняли участие более 300 заинтересованных сторон, включая исследователей, отраслевых экспертов, политиков, врачей и т. д. Главным результатом этого процесса стала брошюра под названием « Посев еврофизиома: дорожная карта к виртуальному физиологическому человеку ». [6] Действия STEP и последующая дорожная карта исследований сыграли важную роль в разработке концепции VHP и в инициировании гораздо более масштабного процесса, который предполагает значительное финансирование исследований, крупные совместные проекты и ряд связанных инициатив не только в Европе, но и в других странах. США, Япония и Китай.
VPH теперь является основной целью 7-й рамочной программы. [9] Европейской комиссии и направлен на поддержку разработки компьютерных моделей, ориентированных на конкретного пациента, и их применение в персонализированном и прогностическом здравоохранении. [10] Виртуальная сеть передового опыта в области физиологии человека (VPH NoE) направлена на объединение различных проектов VPH в рамках 7-й рамочной программы.
Цели инициативы
[ редактировать ]Проекты, связанные с VPH, получили существенное финансирование от Европейской комиссии с целью дальнейшего научного прогресса в этой области. Европейская комиссия настаивает на том, чтобы проекты, связанные с VPH, демонстрировали активное участие промышленности и четко указывали путь от фундаментальной науки к клинической практике. [5] Есть надежда, что в будущем VPH в конечном итоге приведет к улучшению системы здравоохранения, которая будет направлена на получение следующих преимуществ: [6]
- индивидуальные решения по уходу
- снижение потребности в экспериментах на животных
- более целостные подходы к медицине
- профилактические подходы к лечению заболеваний
Решения для персонализированного ухода являются ключевой целью VPH: новая среда моделирования для прогнозируемого, индивидуализированного медицинского обслуживания приведет к повышению безопасности пациентов и эффективности лекарств. Ожидается, что VPH также может привести к улучшению здравоохранения за счет лучшего понимания патофизиологических процессов. [3] Использование биомедицинских данных пациента для моделирования потенциальных методов лечения и результатов может предотвратить получение пациентом ненужного или неэффективного лечения. [11] Использование in silico (путем компьютерного моделирования) моделирования и тестирования лекарств также может снизить потребность в экспериментах на животных.
Будущая цель состоит в том, чтобы в медицине также появился более целостный подход, при котором тело будет рассматриваться как единая система многих органов, а не как совокупность отдельных органов. Передовые интеграционные инструменты должны в дальнейшем помочь улучшить европейскую систему здравоохранения на ряде различных уровней, включая диагностику, лечение и уход за пациентами и, в частности, качество жизни. [6]
Проекты
[ редактировать ]ИммуноГрид
[ редактировать ]ImmunoGrid — это проект, финансируемый ЕС в рамках Framework 6, по моделированию иммунной системы человека с использованием грид-вычислений на разных физиологических уровнях. [12]
Остеопороз Виртуальный Физиологический Человек
[ редактировать ]VPHOP (Остеопороз виртуального физиологического человека) — это европейский исследовательский проект по остеопорозу в рамках инициативы «Виртуальный физиологический человек». С помощью современных технологий остеопоротические переломы можно предсказать с точностью менее 70%. Необходимы более эффективные способы предотвращения и диагностики остеопоротических переломов.
Текущие прогнозы переломов основаны на анамнезе и обследовании, на основе которых идентифицируются ключевые факторы, способствующие увеличению вероятности остеопоротического перелома. Этот подход чрезмерно упрощает механизмы, приводящие к остеопорозному перелому, и не учитывает многочисленные иерархические факторы, уникальные для каждого человека. Эти факторы варьируются от функций на уровне клеток до функций на уровне тела. Скелетно-мышечная анатомия и нейромоторный контроль определяют ежедневный спектр нагрузок, включая случаи парафизиологических перегрузок. Переломы происходят на уровне органов и зависят от эластичности и геометрии кости, а ее геометрия определяется ткани морфологией . Активность клеток со временем меняет морфологию и состав тканей. Составные части внеклеточного матрикса являются основными факторами, определяющими прочность тканей. Точность можно было бы значительно повысить, если бы использовался более детерминированный подход, учитывающий эти факторы и их различия между людьми.
Целью виртуального физиологического человека при остеопорозе является повышение точности алгоритмов прогнозирования остеопоротических переломов.
См. также
[ редактировать ]- Цитом
- ЕвроФизиома
- Анатомия человека
- Живой человеческий проект
- Физиология
- Физиом
- Виртуальная физиологическая крыса
- VPHOP (Остеопороз виртуального физиологического человека)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Клапуорти и др. 2007 год
- ^ Согласно дорожной карте исследования STEP. Архивировано 28 августа 2008 г. в Wayback Machine.
- ^ Перейти обратно: а б с Феннер Дж.В., Брук Б., Клапуорти Г., Ковени П.В., Фейпель В., Грегерсен Х. и др. (2008). «ЕвроФизиома, STEP и дорожная карта для виртуального физиологического человека» . Философские труды Королевского общества А. 366 (1878): 2979–99. Бибкод : 2008RSPTA.366.2979F . дои : 10.1098/rsta.2008.0089 . ПМИД 18559316 . S2CID 1211981 .
- ^ Вицеконти М., Таддеи Ф., Ван Синт Ян С., Леардини А., Кристофолини Л., Стеа С. и др. (2008). «Многомасштабное моделирование скелета для прогнозирования риска переломов» . Клин Биомех (Бристоль, Эйвон) . 23 (7): 845–52. doi : 10.1016/j.clinbiomech.2008.01.009 . ПМИД 18304710 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Клэпворти Дж., Вицеконти М., Ковени П.В., Коль П. (2008). «Виртуальный физиологический человек: построение основы вычислительной биомедицины I. Редакционная статья» . Философские труды Королевского общества А. 366 (1878): 2975–8. дои : 10.1098/rsta.2008.0103 . ПМИД 18559315 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Дорожная карта исследований STEP. Архивировано 28 августа 2008 г. в Wayback Machine.
- ^ Хантер П.Дж., Борг Т.К. (2003). «Интеграция белков в органы: проект Физиом» . Nat Rev Mol Cell Biol . 4 (3): 237–43. дои : 10.1038/nrm1054 . ПМИД 12612642 . S2CID 25185270 .
- ^ Аяче Н., Буассель Дж.П., Брунак С., Клэпворти Г., Лонсдейл Г., Фингберг Дж., Франджи А., Деко Г., Хантер П., Нильсен П., Холстед М., Хоуз Р., Маньин И., Мартин-Санчес Ф., Слот П., Каандорп Дж., Хоекстра А., Ван Синт Ян С., Вицеконти М. (ноябрь 2005 г.). «На пути к виртуальному физиологическому человеку: Многоуровневое моделирование и симуляция анатомии и физиологии человека» (PDF) . под редакцией DG INFSO и DG JRC.
- ^ 7-я рамочная программа
- ^ Коль П., Ноубл Д. (2009). «Системная биология и виртуальный физиологический человек» . Мол сист биол . 5 (1): 292. doi : 10.1038/msb.2009.51 . ПМК 2724980 . ПМИД 19638973 .
- ^ Садик С.К., Маццео М.Д., Засада С.Дж., Манос С., Стойка И., Гейл К.В. и др. (2008). «Моделирование с учетом особенностей пациента как основа принятия клинических решений» . Философские труды Королевского общества А. 366 (1878): 3199–219. Бибкод : 2008RSPTA.366.3199S . дои : 10.1098/rsta.2008.0100 . ПМИД 18573758 . S2CID 1690327 .
- ^ «ImmunoGrid — Европейский проект виртуальной иммунной системы человека» . Европейская Комиссия: CORDIS: Служба проектов и результатов . Проверено 23 июля 2017 г.
Библиография
[ редактировать ]- Клапуорси Г., Коль П., Грегерсон Х., Томас С., Вицеконти М., Хоуз Д., Пинни Д., Феннер Дж., МакКормак К., Лоуфорд П., Ван Синт Ян, С., Уотерс, С., и Ковени, П. 2007, «Цифровое моделирование человека: глобальное видение и европейская перспектива», В книге «Цифровое моделирование человека: глобальное видение и европейская перспектива», Берлин: Springer, стр. 549–558.
- Хантер, П.Дж. 2006. Моделирование живых систем: проект IUPS/EMBS Physiome. Слушания IEEE, 94, 678-991.
- Вицеконти М., Тести Д., Таддеи Ф., Мартелли С., Клапуорти Г.Дж., Ван Синт Ян, С., 2006. Биомеханическое моделирование скелетно-мышечного аппарата: состояние и ключевые проблемы. Труды IEEE 94(4), 725-739.