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分布式生物银行模型:为什么生物样本需要区块链

来源: 2019.10.08 15:38:41
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在这里,来自国际生物和环境知识库协会的几位专家提供了一个关于分布式生物数据库模型的新视角,包括提供了一个为什么生物物种需要区块链的说明。

当你生病时,医生可能会要求你提取身体中的某些东西来进行检查(如组织活检、血液样本)、一些分泌物(唾液、宫颈拭子)或一些排泄物(如尿液、粪便),以确定你的身体出了什么问题。它们之所以这样做,是因为个人生物基因对了解人类生物学和我们遇到的疾病至关重要。

生物基因包含医生和研究人员用来了解病人患有何种疾病的信息,并确定应该用于临床管理的可能治疗方案。通过生物技术的进步,生物技术中的信息现在可以被轻易的提取,导致大量的数字数据以机器可读的形式被捕获。这种生物特异性的“数据化”产生不同类型的“基因组”数据(基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、表观基因组学),反映疾病中正在发生的分子事件。这也可能是来自医学和显微组织样本图像分析的信息。在建立个性化的疾病治疗框架时,必须以有意义和可操作的方式捕获生物特异性蛋白衍生信息的复杂性。随着数字信息对医疗系统的影响日益显现,个性化医疗将由活跃在生物医学领域的计算科学家和数据分析师来指导。

集中生物标本的问题

在生物医学研究中,将其核心活动集中到聚合设施或"存储库"(如节点、数据库或注册表)是一种根深蒂固的做法。目前的组织处理实践寻求将生物标本聚合到巨型冰柜中,这些冷冻室与有批的临床和"omic"数据数据库、患者信息登记和研究项目伦理同意书相关联。在过去 20 年中,生物标本聚集到生物库中,预计到 2022 年,生物标本将成为一个 27 亿美元的产业。生物库作为基本上自主的自治实体经营其储存库,通过病理学服务内的安排或直接从手术中获得生物标本。虽然围绕战略规划的叙述承认"生物库对医学研究至关重要",但大量报告强调了低生物库利用率如何助长不可持续的生物库模式。尽管宏伟的计划将生物标本聚合到越来越大的集中设施中,但它们尚未实现其潜力。其原因是多方面的,受以下问题的影响:研究中的狭隘主义、未经研究人员释放的标本的生物储存、能力问题、糟糕的商业模式、生物标本与患者记录分离和脱离医疗环境的研究。

集中化生物标本还存在着其他已知困扰集中模式的缺点。具体来说,生物标本聚合会在系统内产生单点故障,需要过度保护和持续警惕来维护安全性。生物标本的集中存储没有明确的动机,其成功使用导致遗留收藏没有目的,留下未使用的生物标本衍生信息,产生噪音,并引发相关性问题。最后,集中化从生物标本的主要来源上去除,这导致了关键利益相关者的参与损失。决策过程回归到一个独立的“权威”中,由它来决定获取的权利,这就要求捐赠者无条件地信任生物银行的做法和动机。综上所述,将生物专家聚集到中心设施中,将他们能够提供的信息缓存到由少数人控制的系统中,这些人可能会审查生物专家持有的信息,从而决定研究的叙述,同时限制许多其他人的公开发现和探索。

使用区块链分散化生物标本资源

生物技术衍生信息需要大胆和创新的战略来影响数字卫生倡议。将聚集的生物库转移到一个管理作为数字健康信息流的组成部分的生物种群模型,将彻底改变我们如何从来自生物物种的信息中学习。分布式模型依赖于许多独立参与者的存在,这些参与者通过并行执行的共同标准共同管理流程。为了使分布式模型起作用,该系统所需的所有组件都必须分散化,包括同意惯例、道德和治理监督、患者参与、生物技术转移物流、数据化过程、质量管理、研究成果传播,甚至临床决策。分散的环境中,分散的过程从一个中央权威的组织或团体中分离出来,决策由具有不同观点的人合作,从而带来更大的客观性。

我们设想生物库将受益于区块链技术。区块链作为一种廉洁的共享数字账本,通过跟踪向研究人员安全、合乎道德的生物专用化学品转移,实现分布式、安全、透明和健壮的交易。该区块链实现的目的是构建可信的分布式应用程序,这些应用程序运行时不会出现停机、审查、欺诈或第三方干扰,这对于在研究环境中探索人体组织非常理想。智能合约的使用已被确定为使人类主体管理规范得以实现,使人类研究伦理委员会和治理机构能够全面、透明地、安全地和自动管理科研诚信的要求同时避免重复的参与者之间的干预。区块链技术使系统中的参与者之间同步数据的方法不受怀疑影响。如果以组织为基础的科学是一个信息学问题,那么生物种应该成为信息流链中的第一块。
 

图1:Genobank.io开发的用于对生物物种及其相应的DNA/RNA数据集进行标记化的生物种信息学块链中的拟议步骤。

1. (a) 捐助方创建一个“生物墙”(Genobank帐户),具有公共地址和私钥。(b)钱包用用户提供的密码加密用户的私钥,并为即将到来的“多对象”数据集创建一个空的唯一的数字存储库。

2. (a) 捐助方将其生物标记存入二维/条形码管。(b) 捐助方扫描管码,在生物墙中创建一个独特的不可替换代币(NFT),其中包含的信息包括全球定位系统位置、过期日期、品牌、日期和时间记录为元数据。

3. 捐献者将生物标本运往指定的生物库或实验室。

4. (a) 生物库接收生物群,扫描二维码,并通过互联网与生物银行连接。生物标志物/试管都被引用为一个特定的生物标签,即生物墙的所有者是唯一能够接收、解密和共享相应的数据集和信息的标记。标本一旦被生物库接收,捐献者将收到代币性奖励。

5. 交易被记录在公共区块链中,指定数据标准的使用。

6. (a) 生物库/实验室处理生物标本,并应用所有扩增或制备库。提取DNA/RNA,并对过程进行数字化。

7. DNA/RNA的测序使用最好的可用技术。

8. a) 数码原始数据生成 b) 捐助者的私人钥匙加密原始数据,并创建不可替换的代币。从这个数据集中可以创建可替换代币,以便使用对应的生物墙发布序列化副本,其中必须使用私钥对所有交易进行签名。

9. a) 将加密原始数据储存在指定的专用分散化数字储存库b)告知捐助者其数据可通过加密的专用电文系统获得。

来源:区块网

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