在人工智能時代，生物醫(yī)藥研究領(lǐng)域正在發(fā)生范式變革。近日，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院蘇佳燦教授團(tuán)隊聯(lián)合上海大學(xué)團(tuán)隊，在生物材料領(lǐng)域國際頂期刊《生物活材料》（Bioactive Materials）發(fā)表綜述論文，次系統(tǒng)地提出“人工智能虛擬類器官”（AIVOs）這一前沿概念，旨在破解生物類器官面臨的問題，打造與患者器官度一致的“數(shù)字孿生”系統(tǒng)。

“人工智能虛擬類器官”登上《生物活材料》雜志。

所謂類器官，是利用成體干細(xì)胞或多能干細(xì)胞進(jìn)行體外三維培養(yǎng)，所形成的具備一定空間結(jié)構(gòu)的組織類似物。類器官的“類”字意味著，它并不是真的人體器官，但是在結(jié)構(gòu)與功能上能模擬真實的器官，并能夠進(jìn)行長期的穩(wěn)定傳代培養(yǎng)。近年來，類器官技術(shù)成為生物醫(yī)學(xué)的明星，它雖然能模擬人體組織，但也面臨著批次差異大、實驗成本、難以大規(guī)模自動化這三個瓶頸。更重要的是，現(xiàn)有的類器官實驗觀測手段大多是破壞的“終點檢查”，無法實現(xiàn)對生命過程的實時、持續(xù)監(jiān)測。

為打破這些瓶頸，研究團(tuán)隊提出了打造“人工智能虛擬類器官”的構(gòu)想?！叭绻阆霚y試一種新藥對癌癥患者的果，不再需要反復(fù)在病人身上試驗，也不受限于實驗室里培養(yǎng)周期長、差異大的實體類器官?！碧K佳燦教授說，“未來，我們在電腦里構(gòu)建一個與患者器官度一致的虛擬類器官，千萬次藥物模擬測試可能只需要幾分鐘。”

根據(jù)構(gòu)想，AIVO是一套涵蓋“數(shù)據(jù)—模型—交互”三層架構(gòu)的復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)，有望為每位患者提供一份可計算、可預(yù)測、可交互的“生命藍(lán)圖”。為模擬生命系統(tǒng)復(fù)雜的動力學(xué)過程，研究團(tuán)隊將目光投向生物學(xué)的小單元——細(xì)胞。如果把虛擬類器官比作一棟數(shù)字大樓，那么虛擬細(xì)胞就是建大樓的磚塊。他們根據(jù)功能，將這些“數(shù)字磚塊”細(xì)化為虛擬干細(xì)胞、虛擬功能細(xì)胞（如免疫細(xì)胞、代謝細(xì)胞）和虛擬腫瘤細(xì)胞。

引入“人工智能虛擬細(xì)胞”（AIVCs）架構(gòu)后，AIVO系統(tǒng)將多組學(xué)數(shù)據(jù)、分辨率影像和臨床指標(biāo)融合進(jìn)統(tǒng)一的數(shù)字空間，鋼絞線廠家通過“數(shù)據(jù)層”收集信息，“模型層”進(jìn)行度學(xué)習(xí)模擬，終在“交互層”實現(xiàn)與現(xiàn)實生物體的閉環(huán)聯(lián)動。這意味著，每一個數(shù)字細(xì)胞都被賦予了“生命力”，它們能模擬真實的細(xì)胞分裂、分化、信號傳遞，甚至是在藥物打擊下的耐藥反應(yīng)。

開發(fā)“人工智能虛擬類器官”的過程

未來，AIVO將展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域?！斑@像給醫(yī)生配備了一個臨床決策航儀，不僅能告訴醫(yī)生哪種藥更有，還能預(yù)判佳的給藥劑量和給藥序列，大限度地減少患者試錯成本。”蘇佳燦說。

業(yè)隔聲玻璃棉板是一種以石英砂、石灰石等礦石為主要原料，經(jīng)溫熔融后通過離心法技術(shù)形成絮狀纖維結(jié)構(gòu)的人造無機(jī)板材。其多孔構(gòu)造(孔隙率>90%)使其具備優(yōu)異的聲學(xué)能，是建筑聲學(xué)工程中的重要材料。

用隔音玻璃棉氈是以玻璃棉為主要原料，通過施加粘合劑并加熱固化制成的卷材狀保溫隔熱材料，屬于人造無機(jī)纖維制品。其纖維直徑細(xì)(5-8微米)，形成三維立體多孔結(jié)構(gòu)，能有吸收聲波能量。

在骨科研究中，這種系統(tǒng)也具潛力。通過構(gòu)建“虛擬骨類器官”，科學(xué)可以模擬在不同機(jī)械載荷、支架材料下骨細(xì)胞的生長情況，為骨質(zhì)疏松、骨折愈合等疾病的個化治療提供方案。

這項研究的意義不僅在于提出一種新的計算模型，更在于預(yù)示了未來醫(yī)學(xué)研究范式的變革。蘇佳燦表示：“AIVO并不是要取代實體的類器官實驗，而是與之形成互補。它能先在虛擬空間進(jìn)行大規(guī)模的篩選和預(yù)判，再由實體實驗進(jìn)行驗證，從而大幅縮短藥物研發(fā)周期?！?/p>

據(jù)悉，這項研究得到了國自然科學(xué)基金等資助。研究團(tuán)隊目前致力于進(jìn)“人工智能虛擬類器官”平臺的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)和合規(guī)評價。未來3—5年內(nèi)，隨著數(shù)據(jù)的不斷積累和算力提升，這種虛擬類器官有望成為臨床用藥的“金標(biāo)準(zhǔn)”，讓很多患者擁有屬于自己的“數(shù)字醫(yī)療管”，享受真正的個化治療。

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