Виртуальный физиологический человек ( VPH ) — это европейская инициатива, которая фокусируется на методологической и технологической основе, которая после ее создания позволит проводить совместные исследования человеческого тела как единой сложной системы . [1] [2] Коллективная структура позволит обмениваться ресурсами и наблюдениями, сформированными институтами и организациями, создавая разрозненные, но интегрированные компьютерные модели механических, физических и биохимических функций живого человеческого тела.
VPH — это структура, которая стремится быть описательной, интегративной и предсказательной. [3] [4] [5] [6] Клэпворти и др. утверждают, что структура должна быть описательной, позволяя лабораторным и медицинским наблюдениям по всему миру «собираться, каталогизироваться, организовываться, совместно использоваться и объединяться любым возможным способом». [5] Она должна быть интегративной, позволяя этим наблюдениям совместно анализироваться смежными специалистами для создания «системных гипотез». [5] Наконец, она должна быть предсказательной, поощряя взаимосвязи между расширяемыми и масштабируемыми предсказательными моделями и «системными сетями, которые укрепляют эти системные гипотезы», при этом позволяя проводить сравнение наблюдений. [5]
Структура формируется из больших коллекций анатомических , физиологических и патологических данных, хранящихся в цифровом формате, как правило, с помощью прогностических симуляций, разработанных на основе этих коллекций, и сервисов, предназначенных для поддержки исследователей в создании и поддержании этих моделей, а также в создании технологий для конечного пользователя, которые будут использоваться в клинической практике. Модели VPH направлены на интеграцию физиологических процессов в различных масштабах длины и времени (многомасштабное моделирование). [3] Эти модели делают возможным объединение данных, специфичных для пациента, с представлениями на основе популяции. Цель состоит в том, чтобы разработать системный подход, который избегает редукционистского подхода и стремится не подразделять биологические системы каким-либо определенным образом по размерной шкале (тело, орган, ткань, клетки, молекулы), по научной дисциплине ( биология , физиология , биофизика , биохимия , молекулярная биология , биоинженерия ) или анатомической подсистеме ( сердечно-сосудистая , опорно-двигательная, желудочно-кишечная и т. д.). [5]
Первоначальные концепции, которые привели к инициативе Virtual Physiological Human, появились в рамках проекта IUPS Physiome . Проект был начат в 1997 году и представлял собой первую всемирную попытку определить физиом посредством разработки баз данных и моделей, которые способствовали пониманию интегративной функции клеток, органов и организмов. [7] Проект был сосредоточен на составлении и предоставлении центрального хранилища баз данных, которые связывали бы экспериментальную информацию и вычислительные модели из многих лабораторий в единую, самосогласованную структуру.
После запуска проекта Physiome было много других всемирных инициатив слабосвязанных действий, все из которых были сосредоточены на разработке методов моделирования и имитации патофизиологии человека. В 2005 году в рамках конференции по функциональной визуализации и моделированию сердца в Барселоне был проведен экспертный семинар Physiome, на котором был представлен доклад [8] под названием « На пути к виртуальному физиологическому человеку: многоуровневое моделирование и имитация анатомии и физиологии человека» . Целью этого доклада было сформировать четкий обзор текущих соответствующих мероприятий VPH, выработать консенсус относительно того, как их можно дополнить новыми инициативами для исследователей в ЕС, а также определить возможные среднесрочные и долгосрочные исследовательские задачи.
В 2006 году Европейская комиссия профинансировала координационную и поддерживающую акцию под названием STEP: Structuring The EuroPhysiome . Консорциум STEP способствовал достижению значительного консенсусного процесса, 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 Seeding the EuroPhysiome: A Roadmap to the Virtual Physiological Human . [6] Действие STEP и полученная в результате исследовательская дорожная карта сыграли важную роль в разработке концепции VHP и в инициировании гораздо более масштабного процесса, который включает значительное финансирование исследований, крупные совместные проекты и ряд связанных инициатив не только в Европе, но и в Соединенных Штатах, Японии и Китае.
VPH в настоящее время является основной целью 7-й Рамочной программы [9] Европейской комиссии и направлена на поддержку разработки компьютерных моделей, ориентированных на пациента, и их применения в персонализированном и прогностическом здравоохранении. [10] Виртуальная физиологическая человеческая сеть передового опыта (VPH NoE) направлена на объединение различных проектов VPH в рамках 7-й Рамочной программы.
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 сильное промышленное участие и четко указывали путь от фундаментальной науки к клинической практике. [5] В будущем есть надежда, что VPH в конечном итоге приведет к лучшей системе здравоохранения, которая направлена на получение следующих преимуществ: [6]
Персонализированные решения по уходу являются ключевой целью VPH, с новыми средами моделирования для предиктивного, индивидуализированного здравоохранения, которые приведут к лучшей 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 ненужное или неэффективное лечение пациента. [11] Использование моделирования in silico (с помощью компьютерного моделирования) и тестирования лекарств также может снизить необходимость в экспериментах на животных.
Будущая цель заключается в том, что также будет более целостный подход к медицине, при котором тело будет рассматриваться как единая многоорганная система, а не как совокупность отдельных органов. Передовые интегративные инструменты должны и дальше помогать совершенствовать европейскую систему здравоохранения на ряде различных уровней, включая диагностику, лечение и уход за пациентами и, в частности, качество жизни. [6]
ImmunoGrid — это проект, финансируемый ЕС в рамках Framework 6, по моделированию и имитации иммунной системы человека с использованием сетевых вычислений на различных физиологических уровнях. [12]
VPHOP (Osteoporotic Virtual Physiological Human) — это европейский исследовательский проект по остеопорозу в рамках инициативы Virtual Physiological Human. С помощью современных технологий остеопоротические переломы можно предсказать с точностью менее 70%. Необходимы более эффективные способы профилактики и диагностики остеопоротических переломов.
Текущие прогнозы переломов основаны на истории болезни и обследовании, на основе которых определяются ключевые факторы, способствующие повышению вероятности остеопоротического перелома. Этот подход чрезмерно упрощает механизмы, приводящие к остеопоротическому перелому, и не учитывает многочисленные иерархические факторы, которые являются уникальными для каждого человека. Эти факторы варьируются от функций на уровне клеток до функций на уровне тела. Анатомия опорно-двигательного аппарата и нейромоторный контроль определяют ежедневный спектр нагрузки, включая парафизиологические перегрузки. Переломы происходят на уровне органов и зависят от эластичности и геометрии кости, эластичность и геометрия определяются морфологией ткани . Активность клеток со временем изменяет морфологию и состав ткани. Составляющие внеклеточного матрикса являются основными детерминантами прочности ткани. Точность можно было бы значительно повысить, если бы использовался более детерминированный подход, учитывающий эти факторы и их различия между людьми.
Целью проекта Osteoporotic Virtual Physiological Human является повышение точности алгоритмов прогнозирования остеопоротических переломов.