計算機在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展前景

楊雨衡 楊雪

【摘 要】綜述計算機在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用及發(fā)展前景，并介紹了計算機在信息檢索與網(wǎng)絡(luò)、生物專用計算機、藥物不良反應(yīng)監(jiān)測、計算機輔助藥物研究、生物醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)支撐平臺等方面的應(yīng)用，提出了今后生物醫(yī)藥行業(yè)計算機應(yīng)用的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】計算機；生物醫(yī)藥；數(shù)據(jù)庫

一、信息檢索與網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)上的資源無窮無盡， 為生物醫(yī)藥研發(fā)工作提供了準(zhǔn)確、快捷的信息，一般可以通過網(wǎng)上綜合搜索引摯，如谷歌學(xué)術(shù)搜索（https：//scholar.google.com.hk/）、百度學(xué)術(shù)搜索（http：//xueshu.baidu.com/）；專業(yè)化的醫(yī)藥信息數(shù)據(jù)庫如Reaxys（https：//new.reaxys.com/），Scifinder（https：//scifinder.cas.org/），Elsevier（https：//www.elsevier.com），中國生物醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫等。此外，還包括MEDLINE（https：//www.nlm.nih.gov/bsd/pm

resources.html），U.S.FOOD& DRUG ADMIN

ISTRATION（https：//www.fda.gov），Pharmacy（https：//www.pharmacy.org）等藥學(xué)信息網(wǎng)站。

二、計算機輔助藥物設(shè)計

計算機輔助藥物設(shè)計（computer aided drug design/computer assisted drug design）是以計算機為載體，綜合運用物理、化學(xué)和生物學(xué)等學(xué)科的基本原理和（統(tǒng)計）數(shù)學(xué)知識，對藥物研發(fā)的各個階段進(jìn)行輔助解釋、預(yù)測和設(shè)計。1962年，Hansch發(fā)表Hansch方程，首次實施藥物結(jié)構(gòu)與生物活性之間的定量構(gòu)效關(guān)系，計算機技術(shù)開始得以應(yīng)用于藥物設(shè)計研究。目前，計算機輔助藥物設(shè)計主要研究方向包括以下7個方面：虛擬小分子生成、大分子結(jié)構(gòu)預(yù)測、定量構(gòu)效關(guān)系、藥效團模型、分子對接、全新藥物設(shè)計和動態(tài)模擬。傳統(tǒng)的藥物研發(fā)不僅周期漫長，而且耗費大量的人力物力。計算機輔助藥物設(shè)計的引入對整個研發(fā)過程都有一定的推動作用，有時候甚至可以起到推動藥物研發(fā)或者決定藥物研發(fā)成敗的關(guān)鍵因素。

三、生物醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)支撐平臺

隨著生物分析技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步， 生物醫(yī)藥領(lǐng)域的數(shù)據(jù)量已經(jīng)從以前的TB級上升到PB級，甚至EB級。世界各國紛紛建立生物醫(yī)藥領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)中心，如美國國家生物技術(shù)信息中心（The National Center for Biotechnology Information，NCBI）、歐洲生物信息研究所（European Bioinformatics Institute， EBI）、我國的華大基因、標(biāo)普醫(yī)學(xué)信息研究中心等機構(gòu)均持有的數(shù)十PB的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)涵蓋醫(yī)學(xué)影像、電子病歷、基因序列、科學(xué)文獻(xiàn)等多種類型。由于這些數(shù)據(jù)來源復(fù)雜、有較強的異質(zhì)特性，對存儲系統(tǒng)的構(gòu)建和數(shù)據(jù)管理方式提出了新的挑戰(zhàn)。目前，主要應(yīng)用的技術(shù)包括批處理、流處理、圖處理、迭代式高性能計算、高通量計算；針對存儲系統(tǒng)設(shè)計方面的挑戰(zhàn)，可考慮使用使能技術(shù)；針對異質(zhì)的海量數(shù)據(jù)，可考慮設(shè)計數(shù)據(jù)管理中間件，實現(xiàn)多模態(tài)數(shù)據(jù)的集中管理，例如IRods、skype等。生物醫(yī)藥學(xué)大數(shù)據(jù)處理的相關(guān)應(yīng)用中一些常用的核心算法，如：圖論算法、字符串算法、隨機化算法等，同時，嘗試設(shè)計異構(gòu)并行算法結(jié)構(gòu)、寬向量化機制、計算和I/O重疊方法等，實現(xiàn)基因排序、文本挖掘、藥物篩選、影像重構(gòu)等生物醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域的核心算法計算性能的提升。已開展的相關(guān)研究如下：融合網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)的重大及新發(fā)傳染病預(yù)警預(yù)測模型研究、面向典型疾病的高精度生物大分子三維結(jié)構(gòu)研究、基于機器學(xué)習(xí)的生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)挖掘理論與方法研究等。

四、藥物不良反應(yīng)監(jiān)測

藥品不良反應(yīng)（英語：adverse drug reaction，簡稱ADR）是患者在使用某種藥物治療疾病的時候產(chǎn)生的與治療無關(guān)的作用，而這種作用一般都對患者的治療不利。隨著計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用計算機及網(wǎng)絡(luò)來開展ADR研究已經(jīng)成為一種必然趨勢。目前，主要包括ADR自發(fā)呈報系統(tǒng)、ADR醫(yī)院集中監(jiān)測系統(tǒng)、ADR因果關(guān)系判斷等方面。雖然，目前國內(nèi)的ADR文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫從規(guī)模、功能上還有很多不足，許多學(xué)者嘗試把流行病學(xué)的原理、方法應(yīng)用到ADR的監(jiān)測工作中，解決了實際應(yīng)用中的許多難題。

五、計算機輔助診斷

計算機輔助診斷（computer aided diagnosis，CAD）是指通過影像學(xué)、醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)以及其他可能的生理、生化手段，結(jié)合計算機的分析計算，輔助醫(yī)生發(fā)現(xiàn)病灶，提高診斷的準(zhǔn)確率。CAD已逐漸成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。主要包括以下四個方面：1.圖像預(yù)處理；2.感興趣區(qū)（region of interest，ROI）的分割；3.特征提取、選擇與分類；4.腫瘤區(qū)域的識別。目前研究的熱點是將深度學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于CAD系統(tǒng)，有望解決基于傳統(tǒng)淺層機器學(xué)習(xí)的CAD問題，提高輔助診斷的能力。

六、發(fā)展前景

雖然計算機在生物醫(yī)藥領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但與其它學(xué)科相比，在應(yīng)用的普及性、深入性上還有較大的差距。我國的生物醫(yī)藥行業(yè)正處于攻堅克難、創(chuàng)新實干的關(guān)鍵時期，計算機在生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，多學(xué)科交叉融合，在未來的研究中必將會有更大突破。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄒元平等.計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在藥物不良反應(yīng)監(jiān)測中的應(yīng)用[J].藥物流行病學(xué)雜志，2004（13）：343-346

[2]盧宇彤等.生物醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)應(yīng)用支撐平臺與關(guān)鍵技術(shù)[J].科研信息化技術(shù)與應(yīng)用，2017.8（1）3-9

[3]朱瑞新.計算機輔助藥物設(shè)計——基本方法原理概要與實踐詳解[M].上海：大連理工大學(xué)出版社，2012

（吉林省四平市第一高級中學(xué)）