超級計算機、冷凍電鏡、人工智慧……如何運用高科技攻克病毒?

2020-12-04 微回收

新型冠狀病毒肆虐,但是和非典時期相比,隨著中國科技的發展,應對也更加有力。

目前,國內醫院普遍採用的是核酸檢測來確診病例是不是真的得了新冠肺炎,而最近又增加了通過 CT 檢測,而最近由阿里巴巴達摩院和浙江疾病預防控制中心等機構研發的新冠肺炎檢測分析平臺正式上線!

它採用的是全基因組檢測技術,與核酸檢測方法不同,阿里可以一次對幾十萬到幾百萬條病毒的 DNA 分子進行序列測定,這就大大加快了檢測速度。

常規人工需要 12 小時才能確診一例新冠肺炎患者,經過阿里的技術加持,這個過程僅需要 2 小時。

加快確診速度後,就能讓那些高度疑似又沒辦法確診的患者迅速得到醫院收治,既控制住了他們的病情,也避免了他們在外可能感染其他人群。

而且這個平臺是建在阿里雲和達摩院的算法上的,這意味著整個病毒的資料庫和數據都在阿里上面跑,這就為後面為我們研發疫苗和治療藥物打下了重要基礎。

在病毒疫苗研發上,從 2019 年 12 月 31 日凌晨接到標本,1 月 7 日晚,中國疾控中心從臨床樣本中病毒分離成功;1 月 12 日,從環境樣本中成功分離病毒;1 月 24 日,全球首發了第一株新型冠狀病毒毒株信息。用了不到一個月的時間。

而在分離完毒株之後,則要用冷凍電鏡病毒顆粒結構解析工作,從而為開發疫苗奠定了基礎。冷凍電鏡就是一種結構生物學技術,它和 X 射線晶體學、核磁共振是結構生物學的三大支撐技術。它的發展基於三大思路,1.樣品冷凍(保持蛋白溶液態結構);2.冷凍成像(獲取二維投影圖像);3.三維重構(從二維圖像通過計算得到三維密度圖)。

完整表述就是其解析結構的方法是通過用電子顯微鏡對冷凍固定在玻璃態的冰中的生物大分子進行成像,然後應用計算機對所攝取的生物大分子圖像進行圖像處理和計算,進而重構出生物大分子的三維結構。

前段時間豬瘟肆虐,我國科學家就利用冷凍電鏡分離出國內非洲豬瘟病毒流行株,並首次解析了該病毒顆粒的三維結構,為開發新型非洲豬瘟疫苗奠定了基礎。

而超級計算機將會加速病毒疫苗的研發,超級計算機能夠執行一般個人電腦無法處理的大資料量與高速運算的電腦。超級計算機主要特點包含兩個方面:極大的數據存儲容量和極快速的數據處理速度,因此它可以在多種領域進行一些人們或者普通計算機無法進行的工作。

超算是一個國家綜合實力的體現,在國防科技,工業化,航天衛星等領域發揮重要作用,其次它會在諸如氣象,物理,探測等領域顯現出它的優勢。人工智慧、深入學習、生物醫藥、基因工程、金融分析等新興領域超算也發揮著重要的作用,在未來的 5G 時代,超算將發展為共享伺服器雲計算的形式,發揮它極強運算速度和大批量數據處理的優勢。

在生物、醫藥領域裡,超級計算機應用主要涉及到蛋白質研究、基因比對、藥物篩選、器官模擬等。

而分離毒株、藥物篩選、新藥研發等也需要進行大量的數據分析和科學超算工作。超級計算機具有強大的 CPU 及 GPU 算力調度能力,能夠為基因測序、醫療工程提供穩定高效的算力支持,從而降低創新藥物前期研發的成本與周期。

從原理上講,藥物通過與體內的生物靶標相互作用而發揮藥效,若能夠根據藥物靶標結構來計算篩選和設計小分子配體,將可大大降低創新藥前期研發的成本與周期。針對新型冠狀病毒的多個靶點,而通過超級計算機的高性能計算、存儲資源,快速計算篩選數億級別的化合物資料庫,結合實驗驗證,來尋找新型結構類型的先導化合物,就能為下一步新藥研發工作提供依據。

早在 2016 年,華盛頓大學等處的研究人員就通過超級計算機研究獲得了促進冠狀病毒進入細胞的突起蛋白的原子模型,對該模型進行分析或可為開發抵禦冠狀病毒感染的特殊疫苗提供思路。(冠狀病毒種類有很多)

除了病毒疫苗研發之外,超級計算機還能為疫情數據的實時監測和態勢分析提供數據平臺與技術支撐。

在目前複雜的疫情形勢下,保障醫院信息系統的穩定運行尤為關鍵。而中國的超級計算機龍頭曙光公司也向湖北省及武漢市定點救治醫院捐贈首批包括伺服器、工作站、存儲、相關軟體等在內的計算設備,用於疫情監測、診治及信息存儲等急需場所。

而除了超級計算機之外,人工智慧也在助力疫苗的研發以及「老藥新用」的篩選。 開發藥物有其客觀時間規律,一般需要 5~10 年,但「老藥新用」通常可以大大縮短時間。

此次全球健康藥物研發中心(GUDDI)團隊上線的人工智慧藥物研發和大數據分享平臺,裡面涵蓋了既往冠狀病毒相關研究中涉及的900多個小分子在不同階段的相關實驗信息等,2000多個冠狀病毒相關的文獻記錄以及原文連結,並且實時更新新型冠狀病毒的科學前沿報導,希望科研界能參與提煉有用信息並得到幫助或啟示,共同助力針對新型冠狀病毒的研究。再比如高通量篩選平臺和多個化合物分子庫,可以幫助科學家高效篩選出經過臨床一期實驗的安全性已知的化合物,有效縮短針對此次疫情的藥物研發時間。

此外,GUDDI團隊還根據新型冠狀病毒和SARS病毒的同源性建立了多個靶點結構模型並開展了一系列分子動力學模擬,計算化學藥物設計,以及人工智慧藥物設計工作,這些工作都在獲得新病毒基因序列之後幾天內完成,為進一步探索靶點機制,實現「老藥新用」的虛擬篩選,為後續的藥物設計和實驗開發奠定基礎。

可以說高科技正在助力我們更加有效快速地戰勝疫情,2 月 4 日上午 9 時許火神山也開始收治病人,這標誌著這個戰疫進入新階段,火神山醫院總建築面積 3.39 萬平方米 ,主要救治確診患者,編設床位 1000 張,開設重症監護病區、重症病區、普通病區,設置感染控制、檢驗、特診、放射診斷等輔助科室。7000 餘人僅用 8 天建造完成,創造了中國速度。

我們從直播可以看到,空調、熱水器、空氣淨化管道、氧氣管道等等物品全部齊全,這是只有中國才能創造的世界奇蹟。

火神山醫院,和 17 年前的小湯山醫院不同,武漢火神山醫院最大的特點就是,在一周的時間裡打造了一個高效的 5G 信息化系統。

5G 在裡面究竟能夠發揮什麼作用呢?武漢火神山醫院搭建了首個「遠程會診平臺」。屆時,遠在北京的專家可通過視頻連線的方式了解火神山病患的實際情況,而外部因隔離而心情急切的病人家屬也可利用該系統對隔離區病患進行實時探視,遠程會診可以充分利用專家資源,同時減少醫患直接接觸,更有利於疫情的防控。

鑑於這種遠程診療對網絡的穩定性要求較高,目前也只有 5G 網絡能夠支持這種 4K/8K 的遠程高清會診和醫學影像數據的高速傳輸與共享。

除武漢外,其他省市也都在推廣這種遠程會診模式。1 月 29 日下午,由鍾南山院士擔任組長的廣東省新型冠狀病毒感染的肺炎重症病例會診專家組,就對廣東 5 例重症和危重症患者進行了一次遠程會診。

據《南方都市報》報導 ,此次會診在廣州、深圳、珠海三地舉行,共持續了3 小時 25 分鐘,參與會診的有 5 家醫院的 10 名專家,整個專家組成員 100 餘名。從 1 月 29 日開始,這樣的遠程會診每天都會進行一次,由廣東聯通作為此次遠程醫療平臺技術的支撐方。

5G 技術也將更廣泛的運用於遠程醫療的場景之中,為醫務人員更安全、更高效救治病患保駕護航。5G 雲視訊還能幫助疫情防控,實時監測隔離人員情況,避免工作人員上門摸排,便於數據採集,遠程監護。

和 17 年前的非典不同,在高科技的助力下,我們一定會將病毒徹底擊殺!

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