Rozwój medycyny precyzyjnej i genomiki od brzegu do chmury

Przyspiesz badania i popraw wyniki opieki dzięki wykorzystaniu technologii Intel® w zakresie chmury, HPC oraz AI. Dowiedz się, jak badacze terapii i producenci urządzeń mogą wykorzystać zalety naszego zaawansowanego sprzętu oraz specjalistycznych narzędzi deweloperskich.

Kluczowe informacje

  • Wspieranie medycyny precyzyjnej wymaga ogromnej mocy obliczeniowej od brzegu do chmury.

  • Firma Intel oferuje specjalistyczne technologie na potrzeby obsługi obciążeń z zakresu AI i HPC o kluczowym znaczeniu dla medycyny precyzyjnej.

  • Nasze narzędzia programowe umożliwiają uproszczenie procesu tworzenia i zwiększenie wydajności na potrzeby dostawców technologii medycyny precyzyjnej.

author-image

Według

Intel wspiera technologię medycyny precyzyjnej

Medycyna precyzyjna oferuje spersonalizowane leczenie i opiekę skoncentrowaną na pacjencie na potrzeby określonych grup osób o wspólnych markerach genetycznych, cechach lub schorzeniach. Technologia wymagana do zapewnienia tego rewolucyjnego modelu leczenia obejmuje zarówno dane generowane na brzegu, jak i obciążenia z zakresu analizy danych na platformach systemów obliczeniowych dużej skali (HPC), w chmurze lub lokalnie. Aplikacje kliniczne, badania akademickie oraz opracowywanie i produkcja farmaceutyków wymagają wydajnego oprzyrządowania, analityki i HPC.

W ramach misji tworzenia technologii zmieniającej świat, która poprawia życie wszystkich mieszkańców naszej planety, firma Intel odgrywa kluczową rolę w udostępnianiu rozwiązań z zakresu medycyny precyzyjnej. Producenci wykorzystują nasze technologie sprzętowe i narzędzia programowe do tworzenia rozwiązań z zakresu medycyny precyzyjnej, takich jak systemy rejestrujące procesy biologiczne, analizujące biomarkery i prognozujące interakcje leków.

Niezależnie od tego, czy współpracujemy z dostawcą sprzętu laboratoryjnego wykorzystującego sztuczną inteligencję, aby zoptymalizować wydajność brzegową w sekwencerach następnej generacji, z producentem OEM lub dostawcą chmury, aby opracować architektury HPC, które przyspieszają zaawansowaną analitykę, czy też wspieramy niezależnych dostawców oprogramowania w optymalizacji rozwiązań opartych na architekturze Intel®, działamy na rzecz poprawy jakości życia za pośrednictwem genomiki i technologii medycyny precyzyjnej.

Na przykład współpracowaliśmy z centrum badawczym Broad Institute w celu opracowania rozwiązania Intel® Select ułatwiającego organizacjom wdrażanie skalowalnych klastrów HPC na potrzeby analizy genomu. Najnowsza wersja umożliwia użytkownikom uruchomienie opracowanego przez Broad Institute potoku najlepszych praktyk GATK do określania wariantu linii płciowej w celu przetwarzania nawet ośmiu próbek całego genomu na węzeł obliczeniowy dziennie.

Współpracujemy również z licznymi dostawcami aplikacji z dziedziny zdrowia i nauk przyrodniczych na rzecz optymalizowania kodu w celu zwiększenia wydajności i komfortu użytkownika/developera.

Więcej przykładów wspieranych przez nas innowacji można znaleźć w obszarze Intel® Solutions Marketplace.

Narzędzia i techniki w medycynie precyzyjnej

Aby zdiagnozować chorobę i dostosować leczenie do indywidualnych potrzeb, medycyna precyzyjna wykorzystuje takie techniki, jak diagnostyka molekularna (obejmująca testy genetyczne), obrazowanie molekularne, sekwencjonowanie następnej generacji i dynamikę molekularną.

Diagnostyka molekularna i analiza genomu

Diagnostyka molekularna polega na analizie biomarkerów pacjenta poprzez sekwencjonowanie genomu. Testy genetyczne dostarczają informacji, które mogą pomóc w zapewnieniu najskuteczniejszego leczenia lub dopasowaniu najlepszych leków dla pacjenta.

Sekwencjonowanie nowej generacji

Innowacje takie jak sekwencjonowanie nowej generacji znacząco wpłynęły na badania genomu. Podczas gdy tradycyjna technologia sekwencjonowania wymagała ponad dziesięciu lat do otrzymania wyników, technologie nowej generacji umożliwiają sekwencjonowanie całego ludzkiego genomu w ciągu około 40 godzin.

Obrazowanie molekularne

Obrazowanie molekularne, w szczególności metoda zwana kriogeniczną mikroskopią elektronową (cryo-EM), jest szeroko wykorzystywana w procesie opracowania leków, zapewniając szczegółowe informacje na temat trójwymiarowych struktur białek i innych jednostek biologicznych. Ostatnio technologia ta została również zastosowana do identyfikacji małych cząsteczek o właściwościach leczniczych. Inne formy obrazowania molekularnego dotyczą obrazowania medycznego, w tym wykorzystania różnych metod (MRI, CT, PET) z czynnikiem kontrastowym do wizualizacji, opisu i pomiaru ilościowego procesów biologicznych pacjenta.

Dynamika molekularna

Dynamika molekularna to metoda obliczeniowa, która określa możliwe trójwymiarowe konfiguracje struktur chemicznych i biologicznych, a także symuluje ich ruch. Dynamika molekularna jest często stosowana w połączeniu z molekularnym wiązaniem, często określanym jako „dokowanie”.

Dokowanie jest metodą wykorzystywaną do prognozowania skuteczności oddziaływania małych cząsteczek o potencjalnym działaniu leczniczym z białkiem związanym z określoną chorobą. Te metody symulacji umożliwiają ocenę oddziaływania wiążącego dla poszczególnych potencjalnych leków i ostatecznie opracowanie przez badaczy rankingu skuteczności każdego kandydata.

Kompleksowa platforma na potrzeby genomiki i medycyny precyzyjnej

Z punktu widzenia technologii medycyna precyzyjna obejmuje zarówno urządzenia medyczne lub stacje robocze PC na brzegu, jak i systemy IT w centrum danych. Sprzęt Intel® wspiera rozwiązania w tym obszarze.

Na przykład w genomice nasze technologie brzegowe, takie jak procesory Intel® Atom®, Intel® Core™ oraz Intel® Xeon® E, umożliwiają szybką podstawową analizę próbek w sprzęcie laboratoryjnym oferowanym przez wielu partnerów firmy Intel. Skalowalne procesory Intel® Xeon® wspomagają również algorytm określania nukleotydów na poszczególnych pozycjach oraz narzędzia dopasowania sekwencji wykorzystywane do wtórnej analizy w systemach zaplecza. We wszystkich wymienionych przykładach można wykorzystać nasze pamięci, procesory graficzne, pamięci masowe i technologie łączności w celu zwiększenia przepustowości oraz ogólnej wydajności rozwiązania.

Systemy obliczeniowe dużej wydajności w medycynie precyzyjnej

W przypadku analizy wtórnej systemy HPC rozdzielają obciążenia wymagające intensywnych obliczeń na kilka centralnie zarządzanych węzłów, przetwarzając dane równolegle, aby znacząco przyspieszyć uzyskanie wyników. Infrastruktura HPC oparta na technologiach Intel® umożliwia szybsze uzyskanie wyników oraz zwiększenie efektywności badań w celu usprawnienia prognozowania i modeli.

Skalowalne procesory Intel® Xeon® stanowiące kluczowy element wielu systemów HPC wspierających obciążenia z zakresu medycyny precyzyjnej umożliwiają przyspieszenie rozwoju w głównych przypadkach użycia oraz typowych zastosowaniach takich jak:

  • Genomika — usprawnienie zrozumienia genetyki poszczególnych osób w celu uzyskania lepszych wyników leczenia dzięki aplikacjom takim jak zestaw narzędzi analizy genomu (GATK) 4.x.
  • Cryo-EM: określenie struktur molekularnych na potrzeby badań biologicznych i opracowania leków za pomocą programu RELION 3.x.
  • Mechanika kwantowa — opis interakcji pomiędzy atomami, cząsteczkami i makrocząsteczkami za pomocą VASP i NWChem.
  • Dynamika molekularna: symulacja i analiza ruchów oraz cząsteczek z wykorzystaniem systemu NAMD, GROMACS, i LAMMPS.

W celu optymalizacji wydajności i uproszczenia opracowania w ramach zastosowań w zakresie medycyny precyzyjnej, oferujemy rozwiązania Intel® Select zarówno na potrzeby dynamiki molekularnej, jak i genomiki.

Mimo, że każde z tych obciążeń roboczych niezbędnych w procesie badań ma inne wymagania, wszystkie charakteryzują się podobnym zapotrzebowaniem na zasoby z zakresu intensywnych obliczeń o dużej skali. Skalowalne procesory Intel® Xeon® trzeciej generacji odpowiadają na to zapotrzebowanie, oferując zwiększoną przepustowość w połączeniu z możliwością obsługi większej liczby operacji we/wy oraz ilości pamięci. Ściśle współpracujemy z partnerami w całej branży, aby ułatwiać organizacjom badawczym, dostawcom rozwiązań i oprogramowania w wyborze i dostosowaniu odpowiedniego sprzętu na potrzeby poszczególnych obciążeń.

Tworzenie tych aplikacji wymagających intensywnych obliczeń na potrzeby rozproszonych systemów HPC wiąże się z wyjątkowymi wyzwaniami w zakresie opracowania oprogramowania. Programiści mogą łatwiej tworzyć, analizować, optymalizować i skalować aplikacje HPC w różnych architekturach za pomocą zestawów narzędzi Intel® oneAPI Base Toolkit oraz Intel® oneAPI HPC Toolkit. Zasoby te obejmują najnowocześniejsze techniki wektoryzacji, wielowątkowości, paralelizacji wielowęzłowej i optymalizacji pamięci.

Sztuczna inteligencja (AI) w medycynie precyzyjnej

Coraz częściej narzędzia medycyny precyzyjnej są uzupełniane przez możliwości AI, aby przyspieszyć badania, które prowadzą do uzyskania pozytywnych wyników leczenia. Te obciążenia mogą być wykonywane w rozproszonych systemach HPC lub na brzegu, gdzie modele AI są wbudowane w sprzęt laboratoryjny, aby przyspieszyć procesy i umożliwić analitykom danych oraz badaczom szybsze i wydajniejsze uzyskiwanie szczegółowych informacji.

Firma Intel umożliwia przyspieszone obliczenia AI wymagane przez badaczy, producentów sprzętu i dostawców oprogramowania do zapewnienia szybkiej, niezakłóconej pracy. Skalowalne procesory Intel® Xeon® oferują wbudowane przyspieszenie AI za pośrednictwem zestawu instrukcji Intel® AVX-512 oraz funkcji Intel® Deep Learning Boost, zapewniając łatwy sposób znacznego zwiększenia wydajności AI w centrum danych.

W obszarze laboratorium ułatwiamy producentom urządzeń i oprogramowana włączenie AI do oferowanych rozwiązań. Mimo że AI zazwyczaj kojarzy się z kosztownym specjalistycznym sprzętem, narzędzia oraz innowacje Intel® umożliwiają integrację zaawansowanych algorytmów AI bezpośrednio w wyposażeniu laboratoryjnym z wykorzystaniem niedrogiego sprzętu obliczeniowego ogólnego przeznaczenia.

Na przykład dystrybucja Intel® zestawu narzędzi OpenVINO™ pomaga uprościć i zoptymalizować proces uczenia się oraz wdrażania algorytmów wnioskowania opartych na sztucznej inteligencji w różnych architekturach, ułatwiając wdrażanie znanych środowisk w oszczędnych systemach Intel® bez uszczerbku dla wydajności lub precyzji.

Aby przyspieszyć działanie AI oraz analizę w infrastrukturach HPC, Intel oferuje zestaw narzędzi Intel® oneAPI AI Analytics. Ten kompleksowy pakiet zapewnia analitykom danych, programistom SI i badaczom znajome narzędzia Python oraz architekturę SI umożliwiające przyspieszenie obciążeń roboczych z zakresu kompleksowej analizy danych i analityki z wykorzystaniem architektury Intel®.

Podobnie jak w przypadku zestawu narzędzi Intel® oneAPI HPC Toolkit, elementy zestawu narzędzi Intel® oneAPI AI Analytics zostały opracowane przy użyciu bibliotek oneAPI w celu optymalizacji obliczeń niskiego poziomu. Zestaw narzędzi maksymalizuje wydajność całego procesu, od przetwarzania wstępnego po uczenie maszynowe, zapewniając interoperacyjność na potrzeby efektywnego opracowania modelu.

Kluczowy komponent w procesie rozwiązań z zakresu medycyny opartych na sztucznej inteligencji skupia szereg źródeł danych w celu lepszego trenowania algorytmów i modeli AI. Można tu wykorzystać rozszerzenia Intel® Software Guard Extensions (SGX) na potrzeby chronionego uczenia federacyjnego, chroniąc obciążenia oraz dane w zabezpieczonych, poufnych eenklawachobliczeniowych, w chmurze lub lokalnie, w celu zachowania standardów prywatności i bezpieczeństwa.

Optymalizacja genomiki na potrzeby analizy w chmurze

Intel koncentruje się na umożliwieniu uruchamiania obciążeń z zakresu genomiki z optymalną wydajnością i elastycznością w chmurze. Działamy na rzecz wspierania natywnych dla chmury projektów naszych partnerów w ekosystemie, aby zapewnić klientom pozytywny rezultat przejścia do chmury zarówno w zakresie kosztów, jak i wydajności.

Ponadto nasza współpraca z Broad Institute obejmowała optymalizację zaleceń sprzętowych dotyczących najlepszych praktyk GATK na potrzeby obciążeń z zakresu genomiki w zastosowaniach stacjonarnych, w chmurze publicznej i hybrydowej.

Innowacje w zakresie przyszłości medycyny precyzyjnej

Wraz z rozwojem medycyny precyzyjnej firma Intel współpracuje z partnerami, badaczami i dostawcami usług opieki zdrowotnej na rzecz dalszego wspierania innowacji oraz rozwoju. Zarówno w zakresie sprzętu, jak i oprogramowania dostarczamy kluczowe elementy wymagane do tworzenia technologii medycyny precyzyjnej oraz genomiki przy jednoczesnym uproszczeniu przepływów pracy, przyspieszeniu uzyskania szczegółowych informacji oraz poprawie jakości opieki nad pacjentami na całym świecie.

Często zadawane pytania

Medycyna precyzyjna to podejście polegające na ukierunkowaniu leczenia, badań nad chorobami lub opracowania leków na potrzeby określonych grup pacjentów. Dogłębne poznanie konkretnych schorzeń, cech lub markerów genetycznych umożliwia badaczom optymalizację planów leczenia lub leków w celu uzyskania najlepszych rezultatów leczenia poszczególnych pacjentów.

AI jest wykorzystywana na potrzeby usprawnienia przepływów pracy badaczy i szybkiej analizy dużych ilości danych związanych z medycyną precyzyjną. Jest stosowana w najważniejszych dziedzinach medycyny precyzyjnej, takich jak genomika i mechanika kwantowa, aby ułatwić przeprowadzanie różnego rodzaju szczegółowych analiz.

Medycyna precyzyjna jest wykorzystywana do lepszego zrozumienia tendencji zdrowotnych i specyficznych potrzeb poszczególnych grup osób. Szczegółowe informacje uzyskane dzięki zastosowaniu technologii medycyny precyzyjnej ułatwiają poprawę wyników leczenia, od dostosowania opracowania leków po optymalizację planów opieki.