على الرغم من أن التوائم الرقمية الجديدة نسبيًا ، فإن التوائم الرقمية هي الإعدادات الصناعية الافتراضية والبيئات الحضرية وسيناريوهات اتخاذ القرارات الاستراتيجية ، ولكنها يمكن أن تتمكن أيضًا من الافتراضية للأنظمة البيولوجية والديناميات-حتى بقدر فهم المرض والعلاج.
في مستشفى بوسطن للأطفال، يوظف الجراحون توائمًا رقمية للقلوب والأعضاء الأخرى لتحليل القضايا الطبية وعمليات الجراحية. لا يمكن للأطباء إلقاء نظرة على القلب نفسه فقط ، ولكن يمكنهم أيضًا فهم تأثير الجراحة على تدفق الدم والأكسجين أو الضغط على الصمامات.
يسمح التمثيل ثلاثي الأبعاد للأعضاء للأطباء بتدوير التصور لاكتساب فهم دقيق للتخطيط للعملية القادمة. في المستقبل ، يمكن لأجهزة الاستشعار المرتبطة بالمريض أن تخلق المحاكاة الافتراضية في الوقت الفعلي لأمراض القلب في التوأم الرقمي.
إلين كول ، أستاذ الهندسة في جامعة ستانفورديوضح على المزايا. وتقول: “عندما يكون لديك هذا النموذج ، يمكنك تخصيص ميزات معينة ، وتشريح معين”. “ثم يمكنك تجربة الأشياء. في جراحة القلب ، لا يمكنك تجربة 20 شيئًا مختلفًا. لديك لقطة واحدة فقط“
وفي الوقت نفسه ، الباحثون السنغافوريون طور التوأم الرقمي الذي يكرر تدفقات التمثيل الغذائي للتنبؤ بمرض الكلى المزمن في داء السكري من النوع 2.
يشير الباحثون إلى أنه في العقود الأربعة الماضية ، تضاعف عدد مرضى مرض السكري. في الواقع ، تتميز دولة مدينة سنغافورة بواحدة من أعلى نسبة مئوية من المرضى الذين يعانون من الفشل الكلوي بسبب مرض السكري على مستوى العالم. يمكّن تحليل التوأم الرقمي للباحثين من التحقيق في التغييرات طويلة الأجل في العمليات الأيضية ، مما يتيح للأطباء التنبؤ بحدوث مرض الكلى المزمن في السنوات الثلاث المقبلة.
تتخذ المبادرات الأخرى نهجًا بحثيًا أساسيًا من خلال محاولة فهم كيف يمكن أن تتصرف مسببات الأمراض. افتتحت وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة للدفاع الأمريكي في برنامج المحاكاة للأنظمة الميكروبية (SMS) ، والذي يبحث في التنبؤ بسلوك البكتيريا عبر المحاكاة الحسابية. على وجه الخصوص ، “تسعى الرسائل القصيرة إلى عمل سير عمل متعدد التخصصات وشامل ومتكامل لإنشاء معلمات غير معروفة من بيانات جديدة لإبلاغ النماذج الحسابية التي يمكن أن تتنبأ كولاي“
تعزيز الأداء الفسيولوجي
لا يمكن أن يعمل التوائم الرقمية لعلم وظائف الأعضاء البشرية فقط على تطوير فهم أفضل للأمراض ، ولكن يمكن أن يجد أيضًا استخدامًا لتحسين الأداء في الرياضة.
طور الباحثون في Ecole Polytechnique و Institut Universitaire de France توأمًا رقميًا للرياضيين في الجري. يأخذ التوأم الخصائص الفسيولوجية في الاعتبار. يقولون إن المحاكاة “تم التحقق من صحتها بالمقارنة مع الأداء الميداني والملاحظات التجريبية وبيانات الأدب”. “محاكاة أوقات التسجيل وكانت الاختبارات الشاملة لمدة ثلاث دقائق متسقة مع البيانات التجريبية. “
مثل هذه التحقيقات تؤثر بالفعل على المسابقات الرياضية. حصل السباحون الأولمبيون في أولمبياد باريس 2024 على دعم من توائمهم الرقمية. منذ عام 2015 ، قام باحثون من جامعة إيموري وجامعة فرجينيا بجمع بيانات من السباحين عبر وحدات القياس بالقصور الذاتي في الكاحلين ، والظهر والمعصمين لالتقاط تسارع وقوة وتوجيه أجساد الرياضيين.
أجهزة الاستشعار المتقدمة تقيس القوة التي تخلقها أيدي السباحين والاتجاه الذي تواجهه القوة. هم استخدم تيارات الأرقام هذه لإنشاء توأم رياضي رقمي، الذي يلتقط تحركاتهم وصولاً إلى الميلي ثانية. لقد قاموا الآن بتجميع قاعدة بيانات ضخمة من التوائم الرقمية من أكثر من 100 من أفضل السباحين الأمريكيين ، مما يتيح المدربين من التوصية بأعمال لتحسين تقنية الرياضيين.
إنشاء المرضى الظاهريين والسكان المرضى
استهدفت المشاريع الأكثر طموحًا إنشاء توائم رقمية لجسم الإنسان بأكمله. أنشأت المفوضية الأوروبية إطار عمل لتعزيز تطوير التوائم الرقمية للبشر. ال مبادرة التوائم الافتراضية الافتراضية الأوروبية تحاول خلق تمثيلات لصحة الإنسان وحالات المرض. هدف المبادرة هو تعزيز العلاجات الشخصية والرعاية.
لدى التوائم الرقمية الطبية (MDTs) القدرة على تغيير بشكل كبير كيف سيقوم الأطباء والمستشفيات بالبحث في الأمراض ، وتحديد الظروف ، وتحديد الأدوية ، وإعداد العلاجات والعمليات. يستخدمون النماذج الحسابية التي يمكن تخصيصها إلى مريض فردي ويمكن إعادة معايرته ديناميكيًا لتعكس التغييرات بمرور الوقت. يجد مثل هذه التوأم استخدامًا في التحقيق وفهم السل ، مثل ما يدفع نتائج العدوى المختلفة ، وإبلاغ التنمية ونهج العلاج والوقاية.
مجال آخر هو دراسة مسببات الأمراض الفيروسية الجهاز التنفسي. العديد من العوامل الفيروسية والمضيفة بالإضافة إلى مضاعفات مسببات الأمراض الأخرى والأمراض الأساسية يمكن أن تؤدي إلى عدم تجانس في شدة العدوى ، ولكن مساهمتها أو تلك الموجودة في آليات أخرى مخفية غير معروفة. يعد مرضى الالتهاب الرئوي في وحدات العناية المركزة مصدر قلق آخر ، ويحاول الباحثون بناء توأم رقمي للالتهاب الرئوي لمرضى وحدة العناية المركزة التي تعمل كأداة دعم للقرار للطبيب.
دور في التنمية الصيدلانية
تتميز صناعة الأدوية بتكاليف التطوير المرتفعة ، ودرجة عالية من عدم اليقين إذا وصل الدواء إلى الأسواق ، والنماذج الحيوانية التي لا تمثل في كثير من الأحيان الاستجابات البشرية ، وعدم تجانس السكان المريض الذي يمكن أن يخلق تباينًا. يمكن أن يقفز التوائم الرقمية من اختيار مرشحي تطوير الأدوية الواعدين.
شركة الأدوية أوريون كوربوريشن توظيف التوأم الرقمي في Aitia لاستخدام بياناتها السريرية وتحديد المرشحين المحتملين لاستهداف أمراض السرطان. Aitia لديه طور التوائم الرقمية الجوزاء كتمثيلات حسابية للمرض التي تلتقط التفاعلات الوراثية والجزيئية التي تدفع بشكل سببي النتائج السريرية والفسيولوجية.
بالفعل في عام 2023 ، كانت Altis Labs تقود تحالفًا لإنشاء توأم رقمي للتجارب السريرية. شركة التصوير الطبي العمل مع شركات الأدوية AstraZeneca و Bayerمن بين أمور أخرى ، لتسريع تطور علاجات السرطان وتقليل معدل الفشل.
وفي الوقت نفسه ، تعمل شركة Sanofi الأدوية والرعاية الصحية مع السكان الافتراضيين للمرضى. التوائم الرقمية للمرضى ضع في اعتبارك علم بيولوجيا المرض وعلم الصيدلة والفيزيولوجيا المرضية لتوليد إطار رقمي.
تقول الشركة إنه على الرغم من أن المرضى الحقيقيين لا يزالون ضروريين في دراسات المرحلة المتأخرة ، فإن المرضى الظاهريين يسمحون لها باختبار مرشحي الأدوية الجدد قبل نقلهم إلى العيادة وفي المراحل المبكرة المختلفة أثناء التنمية ، وتسريع تقييم سلامة مرشحو المخدرات وفعاليته.
تلاحظ الشركة أن البحث والتطوير الصيدلاني يواجه معدل فشل بنسبة 90 ٪ لمرشحي الأدوية الجدد أثناء التنمية السريرية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يكون توظيف المرضى صعبة ومكثفة للوقت. فائدة أخرى هي توليد كميات هائلة من البيانات التي يمكن دراستها.
استخدم Sanofi مرضى الربو الظاهري للتحقيق في فعالية مركب جديد. يمثل المرضى الظاهريون جميع أنواع الخلايا والبروتينات ذات الصلة التي تربط الربو. السوق للأدوية ذات الصلة تنافسية ووجود العديد من البدائل. لذلك أراد Sanofi التركيز فقط على الحلول الأكثر واعدة وذات صلة بالسوق.
يمكن أن يؤدي تسريع تحديد المركبات غير المناسبة لإدخال السوق إلى تقليل التكاليف ، ويسمح للباحثين بالتركيز بسرعة على المرشحين الذين يظهرون نتائج واعدة أولية. إن استخدام التوائم الرقمية لتحديد وتقييم وتقييم المركبات والمواد والبروتينات ، على سبيل المثال ، يتيح نهج فاشل.
من المحتمل أيضًا أن يكون للتوأم الرقمي تأثير متزايد على البحوث الطبية وعلاج المرضى. يمكّن الفهم الأفضل لوظائف الجسم وأعمال الأمراض الباحثين من إنشاء محاكاة كمبيوتر تمثل مشكلات في العالم الحقيقي بدقة.
الذكاء الاصطناعي قادر على تحليل كمية كبيرة متزايدة من البيانات التي تم جمعها مع تقنيات استشعار قوية أكثر من أي وقت مضى. أيضا ، فإن الطب الشخصي ينشر ويساعد فردية للأدوية والعلاج ببطء على الإجراءات التي تناسب الجميع.
تحسين الزراعة
أخيرًا ، يمكن أن يكرر التوائم الرقمية أنظمة بيئية بأكملها للمساعدة في فهم وتحسين الزراعة وتربية الأحياء المائية. درس ستيفن كيم من جامعة ولاية كاليفورنيا وخليج مونتيري وسيونغ هيو في جامعة كونغجو الوطنية إمكانية إنشاء توأمين رقميين للزراعة للماندرين. يقولون إن تصور البيانات وتحليلها يوضحون الاستخدام المحتمل للتوائم الرقمية الزراعية في المستقبل ، مشيرًا إلى الاستخدامات المستقبلية.
“هذا المفهوم يمتد ممارسات الإدارة الحالية بناءً على قرارات تعتمد على البيانات ، ويقدم أ لمحة عن مستقبل الزراعة الفردية من خلال تمكين العلاج المخصص للنباتات ، أقرب إلى الطب الشخصي للبشر ، “يضيفون.
سيتعاون الباحثون في جامعة ولاية أيوا وجامعة نبراسكا-لينكولن (UNL) وجامعة بوردو لتطوير توأم افتراضي من حقل الذرة للتحقيق في الأداء الزراعي في ظل ظروف مختلفة. مجتمعة ، حصلت المؤسسات الأكاديمية على منح مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية حوالي 3 ملايين دولار.
يوضح جيمس شنابل ، أستاذ مشارك في الهندسة الزراعية والبستنة في UNL ، الغرض من مشروع البحث. “بمجرد أن نبني هذه التوائم الرقمية ، يمكننا استخدم الحوسبة عالية الأداء لمحاكاة واستكشاف كيف تتصرف حقول الذرة بأكملها ذات الخصائص المختلفة – ما مدى مرونة الرياح وكيف يستخدمون الماء والتقاط الضوء بكفاءة ، على سبيل المثال – دون الحاجة إلى زراعة حقل الذرة “.
يجد التوائم الرقمية أيضًا استخدامًا لتطوير فهم لكيفية استعادة البيئات البيئية المستدامة. ال digi4eco يخطط المخطط-المراقبة البيئية 4D الرقمية للترميم للترميم في المناطق المستنفدة للمصايد-من الأساليب لمواجهة تحديات تغير المناخ وتنظيم الأنشطة البشرية التي تؤثر على البيئات البيئية.
كجزء من المشروع ، شبكات المنصات الآلية “جمع البيانات إلى قم ببناء التوائم الرقمية لتوسيع فهمنا للتغيرات 4D للنظم الإيكولوجية البحرية“. تنوي الجهود إنشاء تمثيل افتراضي للمحيط ودينامياتها البيولوجية البيولوجية. سيمكن المشروع الباحثين من النظر في البيانات التاريخية والحالية لفهم التغييرات في بيئة المحيط على المدى القصير والطويل.
مارتن شويرن مؤلف كتاب “البيانات الصغيرة ، الاضطرابات الكبيرة: كيفية اكتشاف إشارات التغيير وإدارة عدم اليقين” (ISBN: 9781632651921). وهو أيضًا مستشار كبير للبصيرة الاستراتيجية في Business Finland ، حيث يساعد الشركات الناشئة والشاغلين على العثور على موقعهم في سوق الغد.
