Leben und Medizin

Proteinfaltung und -dynamik

Ein Protein aus Zehntausenden Atomen, das im Wasser zittert, sich faltet und seine Gestalt ändert.

Frage, die sie beantwortet: Wie faltet sich diese Aminosäurekette zu einer funktionsfähigen dreidimensionalen Struktur?

Lässt aus: Selbst lange Läufe decken höchstens Mikrosekunden ab, weit weniger als viele echte Faltungszeiten.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob ein GPU-Cluster, der Mikrosekunden an Allatom-Dynamik berechnetSeit: 1977 McCammon, Gelin und Karplus' erste Simulation der ProteindynamikIm Simulationen-Baum: Proteindynamik

Molekulares Docking und Wirkstoffbindung

Kandidaten-Wirkstoffmoleküle, ausprobiert in der Tasche eines Zielproteins.

Frage, die sie beantwortet: Welches von einer Million Molekülen bleibt an diesem Ziel haften?

Lässt aus: Docking-Scores sind ungefähr; die meisten vorhergesagten Binder funktionieren im Labor nie.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob ein Universitätscluster, der Millionen Kandidatenmoleküle andocktSeit: 1982 Kuntz und Kollegen, DOCK, das erste automatisierte molekulare Docking-Programm

Membranen und Ionenkanäle

Die Fetthülle einer Zelle und die Proteinkanäle, durch die Ionen hindurchgelangen.

Frage, die sie beantwortet: Wie öffnet und schließt eine Nervenzelle ihre Kanäle?

Lässt aus: Echte Kanäle öffnen und schließen sich über Millisekunden, weit länger, als die meisten Simulationen reichen.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob ein GPU-Cluster, der eine Lipiddoppelschicht und ihre Kanäle simuliertSeit: 1982 Van der Ploegs und Berendsens Dynamik einer Lipiddoppelschicht

Ganze Viruspartikel

Jedes Atom einer Virushülle, manchmal hundert Millionen davon, gleichzeitig simuliert.

Frage, die sie beantwortet: Wie hält das Virus zusammen, und wie zerfällt es in einer Zelle?

Lässt aus: Die Läufe decken Nanosekunden bis Mikrosekunden ab, weit weniger als ein echter Infektionszyklus.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob ein nationaler Supercomputer, der eine Hülle aus hundert Millionen Atomen simuliertSeit: 2006 Freddolinos und Schultens Simulation eines Satelliten-Tabakmosaikvirus

RNA-Faltung und -Struktur

Ein RNA-Strang als Kette von Basen, die sich mit sich selbst paaren und sich zu einer bestimmten dreidimensionalen Gestalt falten, statt zur geraden Doppelhelix der DNA.

Frage, die sie beantwortet: Wie nimmt ein RNA-Strang die Form an, mit der er als Katalysator oder als regulatorischer Schalter wirken kann?

Lässt aus: Vorhergesagte Strukturen brauchen oft eine experimentelle Korrektur, und die Funktion ergibt sich nicht automatisch aus der Form.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die Software für die Faltung nach freier Energie ausführtSeit: 1981 Zukers und Stieglers Algorithmus zur RNA-Faltung mit minimaler freier Energie

Enzymkatalyse

Das aktive Zentrum eines Enzyms, sein Substrat und das umgebende Protein, modelliert mit Quantenmechanik dort, wo Bindungen brechen, und überall sonst mit klassischer Mechanik.

Frage, die sie beantwortet: Wie beschleunigt dieses Enzym eine Reaktion um den Faktor einer Milliarde?

Lässt aus: Nur ein kleiner Teil des Proteins bekommt die aufwendige quantenmechanische Behandlung, und wo man diese Grenze zieht, ist eine Modellierungsentscheidung.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob ein Universitätscluster, der kombinierte Quanten- und klassische Rechnungen ausführtSeit: 1976 Warshels und Levitts kombiniertes Quanten- und klassisches Modell einer Enzymreaktion

Grobkörnige DNA- und RNA-Modelle

Jedes Nukleotid ist ein Starrkörper mit einigen Wechselwirkungsstellen, was die Simulation von Faltung, Hybridisierung und Nanostrukturen erlaubt.

Frage, die sie beantwortet: Wie paaren, falten und fügen sich Stränge zu entworfenen Strukturen?

Lässt aus: Atomare Details und Ionen werden durch effektive Wechselwirkungen ersetzt.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob Millionen Nukleotide auf GPUsSeit: 2011 oxDNA, a coarse-grained DNA model (2011) Quelle

Gelernte Proteinstrukturvorhersage

Ein neuronales Netz, trainiert an bekannten Strukturen und Evolutionsdaten, sagt aus der Sequenz die gefaltete Gestalt eines Proteins voraus.

Frage, die sie beantwortet: Zu welcher dreidimensionalen Form faltet sich diese Aminosäurekette?

Lässt aus: Es liefert eine statische Struktur, nicht den Faltungsweg oder die Dynamik.

Läuft auf: etwa 10¹⁸ FLOPS grob Training im großen Maßstab; Minuten pro VorhersageSeit: 2018 Improved protein structure prediction using potentials from deep learning (2020, CASP13 entry 2018) Quelle

Generative Protein-Ensembles

Ein generatives Modell, trainiert an Strukturen und Simulationen, erzeugt viele Konformationen eines Proteins statt einer einzigen Gestalt.

Frage, die sie beantwortet: Welche anderen Formen kann ein Protein annehmen?

Lässt aus: Populationen von Zuständen sind nur so gut wie die Trainingssimulationen.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob Training plus Sampling mit geringem AufwandSeit: 2024 AlphaFold meets flow matching for generating protein ensembles (2024) Quelle

Von Freiwilligen berechnete Molekulardynamik

Tausende unabhängige kurze Trajektorien eines Moleküls laufen auf gespendeten Heimcomputern und werden kombiniert, um Faltungsereignisse zu sehen.

Frage, die sie beantwortet: Können viele kurze Läufe zusammen einen langsamen molekularen Prozess sichtbar machen?

Lässt aus: Die Trajektorien sind kurz und unabhängig, deshalb müssen die Statistiken zusammengefügt werden.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob Zusammenschluss freiwilliger RechnerSeit: 2000 Screen savers of the world unite! (2000), the distributed folding project Quelle

Stochastische Biochemie

Reaktionen in einer Zelle, die einzeln zufällig ausgelöst werden, weil es zu wenige Moleküle zum Mitteln gibt.

Frage, die sie beantwortet: Warum verhalten sich genetisch identische Zellen unterschiedlich?

Lässt aus: Nimmt meist an, dass das Zellinnere gut durchmischt ist, was oft nicht zutrifft.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die eine stochastische Reaktionssimulation ausführtSeit: 1977 Gillespies exakter stochastischer Simulationsalgorithmus für chemische Kinetik

Genregulationsnetzwerke

Gene, die einander an- und abschalten, als Netzwerk von Wechselwirkungen.

Frage, die sie beantwortet: Wie entscheidet eine Zelle, welche Art von Zelle sie werden soll?

Lässt aus: Die meisten echten Regulationsnetzwerke sind nur teilweise bekannt, sodass Verknüpfungen oft erschlossen werden.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die die Dynamik eines Gennetzwerks simuliertSeit: 1969 Kauffmans zufällige Boolesche Netze der Genregulation

Stoffwechselnetzwerke

Jede chemische Reaktion, die eine Zelle nutzt, um Nahrung in Energie und Bausteine zu verwandeln, ausgeglichen als Netzwerk von Flüssen.

Frage, die sie beantwortet: Welches Gen sollten wir ausschalten, damit dieser Mikroorganismus mehr von einer nützlichen Verbindung erzeugt?

Lässt aus: Setzt einen stationären Zustand und ein optimales Ziel voraus, das eine echte Zelle nicht unbedingt verfolgt.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein genomweites Flussbilanzmodell löstSeit: 1986 frühe Flussbilanzanalyse des Stoffwechselnetzes einer Zelle

Ganzzellmodelle

Jedes Gen und jede Molekülklasse in einem einzelnen Bakterium, verfolgt durch einen vollständigen Teilungszyklus.

Frage, die sie beantwortet: Können wir eine lebende Zelle aus ihrer Teileliste vorhersagen?

Lässt aus: Nur ein einziges einfaches Bakterium wurde je so vollständig modelliert.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob ein Universitätscluster, der einen Teilungszyklus eines Bakteriums berechnetSeit: 2012 Karr und Kollegen, Ganzzellmodell von Mycoplasma genitalium

Musterbildung

Chemikalien, die durch ein wachsendes Gewebe diffundieren und reagieren, der Mechanismus, den Alan Turing für Streifen und Flecken vorschlug.

Frage, die sie beantwortet: Wie erklären Reaktions-Diffusions-Mechanismen Fellmuster bei Tieren und die Ausbildung der Finger an einer Gliedmaße?

Lässt aus: Echte Gewebe nutzen mechanische Kräfte und mehr Signale als ein Modell mit zwei Chemikalien.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die Reaktions-Diffusions-Gleichungen auf einem Gitter löstSeit: 1952 Turings Reaktions-Diffusions-Berechnungen für The Chemical Basis of MorphogenesisIm Simulationen-Baum: Turings Reaktions-Diffusions-Modell

Das interaktive Modell ausführen

Gewebe- und Tumorwachstum

Einzelne Zellen, die sich teilen, bewegen, um Sauerstoff konkurrieren und absterben.

Frage, die sie beantwortet: Wie wächst ein Tumor, und wie könnte ein Behandlungsplan ihn stoppen?

Lässt aus: Teilungs- und Sterberaten in einem echten Tumor sind schwer direkt zu messen.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob ein Universitätscluster, der Tausende einzelner sich teilender Zellen verfolgtSeit: 1993 frühe zelluläre Automatenmodelle des Wachstums solider Tumoren

Modelle der Zellreaktion auf Störungen

Ein Modell, trainiert an Einzelzelldaten, sagt voraus, wie sich die Genexpression einer Zelle nach einem Medikament oder einer Geneditierung ändert, mit der sie nicht gemessen wurde.

Frage, die sie beantwortet: Was wird eine Zelle nach einem Eingriff tun, den noch niemand versucht hat?

Lässt aus: Korrelativ; extrapoliert schlecht auf Zelltypen oder Medikamente, die weit von den Trainingsdaten entfernt sind.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob Große Einzelzell-TrainingsdatensätzeSeit: 2019 scGen predicts single-cell perturbation responses (2019) Quelle

Agentenbasierte Modelle der Tumorevolution

Einzelne Krebszellen auf einem Gitter teilen sich, mutieren und konkurrieren in einem veränderlichen Mikromilieu aus Sauerstoff und Säure.

Frage, die sie beantwortet: Wie entstehen Tumorform und aggressive Eigenschaften durch Selektionsdruck?

Lässt aus: Die Regeln sind vereinfacht, und Blutversorgung und Immunzellen fehlen oft.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob Millionen Zellen auf einem KnotenSeit: 2006 Tumor morphology and phenotypic evolution driven by selective pressure from the microenvironment (2006) Quelle

Stoffwechselmodelle mikrobieller Gemeinschaften

Genomweite Stoffwechselnetze mehrerer Arten werden verbunden, sodass der Abfall der einen zur Nahrung der anderen wird.

Frage, die sie beantwortet: Wie teilen Darm- oder Bodenmikroben Nährstoffe und stabilisieren sich gemeinsam?

Lässt aus: Setzt stationären Zustand und optimales Wachstum voraus und ignoriert Regulation und Raum.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob Lineare Programmierung über viele ArtenSeit: 2007 Metabolic modeling of a mutualistic microbial community (2007) Quelle

Tumorwachstum und Therapieansprechen

Ein solider Tumor, behandelt als Masse, die von diffundierendem Sauerstoff und Nährstoff gespeist wird, mit wachsendem proliferierendem Rand und ausgehungertem nekrotischem Kern; dann Strahlung oder Medikamenten ausgesetzt.

Frage, die sie beantwortet: Wie schnell wächst ein Tumor, und wie stark schrumpft ihn eine bestimmte Dosis?

Lässt aus: Echte Tumoren unterscheiden sich zwischen Patienten und in sich selbst. Das Modell nutzt gemittelte Parameter und eine vereinfachte Geometrie.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob ein dreidimensionales Reaktions-Diffusions-Modell mit Behandlungsplänen über Wochen simulierter Zeit.Seit: 1972 Greenspan, Modelle für das Wachstum eines soliden Tumors durch Diffusion. Quelle

Evolution der Tumormikroumgebung

Einzelne Krebszellen auf einem Gitter konkurrieren um Sauerstoff und Platz, während Säuregradienten neue Phänotypen auslesen, sodass sich der Tumor beim Wachsen weiterentwickelt.

Frage, die sie beantwortet: Drängt das umgebende Gewebe einen Tumor zu invasiveren Zellen?

Lässt aus: Die Zellregeln sind vereinfacht, und Parameter lassen sich in lebenden Tumoren schwer messen.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob Hybride Agenten-Kontinuum-Läufe über simulierte Monate auf einer Workstation oder einem kleinen Cluster.Seit: 2006 Anderson und Kollegen, hybrides diskret-kontinuierliches Modell der von der Mikroumgebung getriebenen phänotypischen Evolution. Quelle

Tumorinduziertes Wachstum von Blutgefäßen

Endothelzellen sprossen und wandern einen chemischen Gradienten hinauf, den ein Tumor freisetzt, und bilden ein verzweigtes Gefäßnetz, das ihn versorgt.

Frage, die sie beantwortet: Wie sorgt ein Tumor für eine Blutversorgung, und was passiert, wenn das Signal blockiert wird?

Lässt aus: Gefäßströmung, Umbau und die echte Chemie der Signalübertragung sind stark vereinfacht.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob zwei- oder dreidimensionale Sprossungsläufe auf einer Workstation.Seit: 1998 Anderson und Chaplain, kontinuierliche und diskrete Modelle der tumorinduzierten Angiogenese. Quelle

Dynamik von Krebsmedikament-Ansprechen und -Resistenz

Populationen normaler, empfindlicher und resistenter Krebszellen verändern sich unter Medikamententherapie, sodass sich ein Patient zuerst bessert und dann einen Rückfall erleiden kann.

Frage, die sie beantwortet: Wie lange wird ein Medikament die Krankheit unter Kontrolle halten, bevor Resistenz auftritt?

Lässt aus: Es werden nur die messbaren Kompartimente modelliert, und das Verhalten der Stammzellen wird erschlossen.

Läuft auf: etwa 10⁸ FLOPS grob Gewöhnliche Differentialgleichungen, angepasst an Blutmessungen von Patienten.Seit: 2005 Michor und Kollegen, Dynamik der chronischen myeloischen Leukämie. Quelle

Dynamik der Blutzellbildung

Stammzellen, Vorläuferzellen und reife Blutzellen sind durch Rückkopplungen mit Verzögerung verbunden. Das ergibt stabile Zahlen oder Schwingungen, wenn die Regelung versagt.

Frage, die sie beantwortet: Warum schwanken manche Blutkrankheiten zyklisch, und was stellt die normale Produktion wieder her?

Lässt aus: Echtes Knochenmark hat eine räumliche Struktur und viele Zelltypen, die zusammengefasst sind.

Läuft auf: etwa 10⁶ FLOPS grob Differentialgleichungen mit Verzögerung auf einem Laptop.Seit: 1978 Mackey, a unified hypothesis for aplastic anaemia and periodic haematopoiesis. Quelle

Wachstum von Bakterienkolonien und Biofilmen

Jede Bakterienzelle wird als Individuum mit eigener Größe, eigenem Wachstum und eigener Position simuliert und ernährt sich von diffundierendem Nährstoff in einer Kolonie oder einem Biofilm.

Frage, die sie beantwortet: Wie nehmen Kolonien ihre Form an, und wie überleben die Zellen im Inneren?

Lässt aus: Das Zellverhalten ist vereinfacht, und die Chemie der echten Biofilmmatrix wird nicht erfasst.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob Individuenbasiertes Wachstum von Millionen Zellen auf einem Cluster.Seit: 1998 Kreft, Booth und Wimpenny, BacSim, ein Simulator für die individuenbasierte Modellierung des Wachstums von Bakterienkolonien. Quelle

Das Herz

Elektrische Wellen über den Herzmuskel und die Kontraktion und der Blutfluss, die sie antreiben.

Frage, die sie beantwortet: Verschlimmert dieses Medikament oder dieses Gerät einen unregelmäßigen Herzschlag?

Lässt aus: Die individuelle Variation zwischen echten Herzen lässt sich weiterhin schwer in einem Modell erfassen.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob ein Universitätscluster, der einen Schlag der Elektromechanik des ganzen Herzens berechnetSeit: 1960 Nobles Computermodell des Aktionspotenzials einer einzelnen Purkinje-Faserzelle; Modelle des ganzen Herzens kamen später QuelleIm Simulationen-Baum: Herzzellmodell

Blutfluss

Blut, das durch Arterien, Venen und Geräte wie Stents und Klappen strömt.

Frage, die sie beantwortet: Wo wird diese Arterie wahrscheinlich schwach oder verstopft?

Lässt aus: Gefäßwände werden oft als starr behandelt, was die echte Elastizität übersieht.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob ein Universitätscluster, der eine patientenspezifische Arterienströmungssimulation ausführtSeit: 1989 Perktold und Kollegen, Finite-Elemente-Modell der Strömung in der Halsschlagader

Atmung und Atemwege

Luft, die durch die verzweigten Atemwege strömt, und die Partikel, die sie mitführt.

Frage, die sie beantwortet: Wo landen inhalierte Medikamente oder Schadstoffe?

Lässt aus: Die meisten Modelle verwenden einen idealisierten Atemwegsbaum statt den eines bestimmten Menschen.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob ein Universitätscluster, der Luftströmung durch einen verzweigten Atemwegsbaum simuliertSeit: 1993 frühe Strömungsmodelle der Luftströmung im Bronchialbaum

Muskuloskelettale Biomechanik

Knochen, Gelenke und Muskeln als verbundenes mechanisches System, beim Gehen, Heben und Fallen.

Frage, die sie beantwortet: Welche Muskeln tragen die Belastung, und wie sollte dieses Implantat geformt sein?

Lässt aus: Kräfte im Inneren eines echten Glieds werden indirekt geschätzt, nicht gemessen.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein Muskel-Skelett-Modell einer Bewegung löstSeit: 1990 Delps und Kollegen Computermodelle der Bewegung des Muskel-Skelett-Systems

Immunantwort

Immunzellen und Krankheitserreger, die im Körper aufeinandertreffen, sich vermehren und Signale austauschen.

Frage, die sie beantwortet: Warum klingen manche Infektionen ab und andere werden chronisch?

Lässt aus: Die echte Immunsignalgebung ist weit komplexer, als irgendein Modell sie vollständig verfolgt.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob ein Universitätscluster, der eine agentenbasierte Immunsimulation ausführtSeit: 1992 Celadas und Seidens zellulärer Automat der Immunantwort

Pharmakokinetik

Ein Medikament, das aufgenommen wird, sich durch die Kompartimente des Körpers verteilt, abgebaut und ausgeschieden wird.

Frage, die sie beantwortet: Welche Dosis, wie oft, für jemanden dieses Alters und Gewichts?

Lässt aus: Ein Populationsdurchschnittsmodell kann übersehen, wie ein bestimmter Patient ein Medikament verarbeitet.

Läuft auf: etwa 10¹⁰ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein Kompartimentmodell eines Medikaments löstSeit: 1937 Teorells Zweikompartimentmodell der Arzneimittelverteilung

In-silico-Studien

Populationen virtueller Patienten mit realistischer Variation, denen vor oder neben einer echten Studie eine Behandlung gegeben wird.

Frage, die sie beantwortet: Wem wird diese Behandlung wahrscheinlich helfen, und wem könnte sie schaden?

Lässt aus: Die Zulassungsbehörden verlangen weiterhin echte Studien daneben. Virtuelle Patienten können sie nicht vollständig ersetzen.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob ein Universitätscluster, der Tausende virtueller Patienten durchspieltSeit: 2011 spätestens 2011, frühe In-silico-Studien, eingereicht neben den Belegen für ein Gerät

Digitale Zwillinge des Herzens

Herzmodelle, die an die Scans und Signale eines einzelnen Patienten angepasst sind und vorhersagen, wie dieses Herz auf eine Therapie reagiert.

Frage, die sie beantwortet: Wie wird das Herz dieses Patienten auf eine bestimmte Behandlung reagieren?

Lässt aus: Die Anpassungsgüte hängt von Bilddaten ab, und Gewebeeigenschaften werden erschlossen.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob Personalisierte elektromechanische Läufe plus AnpassungSeit: 2020 The 'Digital Twin' to enable the vision of precision cardiology (2020) Quelle

Neuronale Vorhersagemodelle sensorischer Hirnareale

Ein neuronales Netz, trainiert an aufgezeichneten Reaktionen, wird zum Stellvertreter eines Hirnareals; so können Forschende in silico testen, welche Reize Neuronen am stärksten erregen.

Frage, die sie beantwortet: Welcher Reiz treibt ein bestimmtes Neuron am stärksten an?

Lässt aus: Die Vorhersagen müssen am echten Gewebe überprüft werden und decken nur die getesteten Tiere ab.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob Training an Aufzeichnungen, danach unbegrenzt viele virtuelle VersucheSeit: 2019 Inception loops discover what excites neurons most using deep predictive models (2019) Quelle

Feldmodelle der Hirnstimulation

Finite-Elemente-Kopfmodelle zeichnen nach, wie sich Strom von Elektroden oder Spulen durch Kopfhaut, Schädel und Hirngewebe ausbreitet.

Frage, die sie beantwortet: Wo im Gehirn landet das elektrische Feld eines Stimulators?

Lässt aus: Die Leitfähigkeiten des Gewebes sind unsicher, und die neuronale Reaktion wird nicht simuliert.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob Finite-Elemente-Lösungen auf einzelnen KopfnetzenSeit: 2009 Gyri-precise head model of transcranial direct current stimulation (2009) Quelle

Modelle der Arzneimittelexposition in virtuellen Populationen

Ganzkörper-Modelle des Arzneimitteltransports, über eine synthetische Bevölkerung gerechnet, die nach Alter, Genen und Organfunktion variiert.

Frage, die sie beantwortet: Wie stark werden sich die Wirkstoffspiegel bei Kindern, älteren Menschen und Patienten mit Organerkrankungen unterscheiden?

Lässt aus: Hängt von gemessenen Enzym- und Transporterdaten ab.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob Tausende virtuelle Probanden auf einer WorkstationSeit: 2009 The Simcyp population-based ADME simulator (2009) Quelle

Modelle von Darm-Mikrobiom-Gemeinschaften

Dutzende Bakterienarten im Darm wirken durch Konkurrenz und Querfütterung aufeinander ein; ihre Häufigkeiten werden über die Zeit unter Ernährung oder Antibiotikastörung verfolgt.

Frage, die sie beantwortet: Welche Arten bleiben im Darm stabil, und welche Störung kann die Gemeinschaft kippen?

Lässt aus: Wechselwirkungsstärken werden aus verrauschten Daten geschlossen und gelten möglicherweise nicht außerhalb der erfassten Bedingungen.

Läuft auf: etwa 10¹⁰ FLOPS grob verallgemeinerte Lotka-Volterra-Anpassung und Simulation metabolischer Gemeinschaften auf einer Workstation.Seit: 2013 Stein und Kollegen, ökologische Modellierung durch Zeitreihenschluss an der Darmmikrobiota. Quelle

Operationsplanung mit patientenspezifischen Modellen

Aus einem Scan wird ein persönliches anatomisches Modell, eine chirurgische Option wird virtuell angewendet, und Strömung oder Spannung werden berechnet, um Ergebnisse vor der Operation zu vergleichen.

Frage, die sie beantwortet: Welche Operationsoption gibt diesem Patienten das beste Ergebnis?

Lässt aus: Gewebeeigenschaften werden aus Durchschnittswerten angenommen, und die Heilung nach der Operation wird nicht modelliert.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob Eine Strömungs- oder Spannungsberechnung pro Kandidatenplan, Stunden auf einem Cluster.Seit: 1999 Taylor und Kollegen, prädiktive Medizin mit rechnerischen Verfahren für therapeutische Entscheidungen. Quelle

Fluid-Struktur-Interaktion bei Herzklappen

Ein flexibles Herzklappensegel und das Blut, das es umströmt, werden gemeinsam berechnet: Die Strömung, die das Segel steuert, drückt es auf und schlägt es zu.

Frage, die sie beantwortet: Wie öffnet und schließt sich eine Klappe, und wie verändert eine Ersatzklappe den Fluss?

Lässt aus: Die Materialeigenschaften der Klappensegel und die Bewegung des umgebenden Muskels sind vereinfacht.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob Strömungsberechnungen mit bewegten Rändern auf einem Cluster.Seit: 1972 Peskin, Strömungsmuster um Herzklappen, Einführung der Immersed-Boundary-Methode. Quelle

Knochenanpassung und Umbau um Implantate

Finite-Elemente-Modelle von Knochen, in denen über Monate und Jahre Gewebe dort hinzugefügt wird, wo die Spannung hoch ist, und dort entfernt wird, wo sie niedrig ist.

Frage, die sie beantwortet: Wie wird sich der Knochen um ein Implantat im Lauf der Zeit verändern?

Lässt aus: Die Umbauregel ist ein phänomenologisches Gesetz und variiert von Patient zu Patient.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob Iterative Finite-Elemente-Lösungen auf einer Workstation.Seit: 1987 Huiskes und Kollegen, die Theorie des adaptiven Knochenumbaus, angewandt auf das Prothesendesign. Quelle

Muskuloskelettale Modelle für die Chirurgie

Knochen, Gelenke und Muskel-Sehnen-Aktuatoren des Beins oder Arms werden modelliert, damit sich ein chirurgischer Eingriff, etwa eine Sehnenverlagerung, auf seine Wirkung auf die Bewegung testen lässt.

Frage, die sie beantwortet: Verbessert die Verlagerung dieser Sehne, wie der Patient geht?

Lässt aus: Die Muskelaktivierung wird geschätzt, nicht gemessen, und die Nervensteuerung wird nicht modelliert.

Läuft auf: etwa 10⁹ FLOPS grob Inverse Dynamik und Muskeloptimierung auf einem Laptop.Seit: 1990 Delp und Kollegen, ein interaktives grafikbasiertes Modell der unteren Extremität zur Untersuchung orthopädischer Chirurgie. Quelle

Dosisberechnung in der Strahlentherapie

Photonen oder Protonen werden per Monte-Carlo-Transport durch einen Patientenscan verfolgt, um die Strahlendosis zu berechnen, die ein Tumor und gesundes Gewebe erhalten.

Frage, die sie beantwortet: Liefert der geplante Strahl die Dosis an den Tumor und schont nahe Organe?

Lässt aus: Der Scan ist eine Momentaufnahme, deshalb sind Patientenbewegung und anatomische Veränderungen während der Behandlung Näherungen.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob Millionen bis Milliarden Historien pro Plan auf einem Cluster oder einer GPU.Seit: 1988 Mackie und Kollegen, Photonenenergie-Depositionskerne, erzeugt mit dem Monte-Carlo-Code EGS. Quelle

Virtuelle anatomische Phantome für die Bildgebung

Digitale menschliche Körper mit detaillierten Organen und schlagender oder atmender Bewegung, als Gegenstand simulierter Scans verwendet, damit sich Bildverfahren an bekannter Wahrheit testen lassen.

Frage, die sie beantwortet: Kann dieser Scanner mit diesem Algorithmus eine bekannte Auffälligkeit wiederfinden?

Lässt aus: Das Phantom ist ein Formmodell, das an wenige Personen angepasst ist und nicht die ganze Bandbreite der Anatomie erfasst.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob Strahlverfolgungs- oder Transportsimulation pro Scan auf einer Workstation.Seit: 2010 Segars und Kollegen, das 4D-XCAT-Phantom für die Forschung an multimodaler Bildgebung. Quelle

Simulation von Magnetresonanzbildern

Die Physik der Kernspins in einem Magnetfeld wird über eine Pulssequenz simuliert, um synthetische Aufnahmen eines virtuellen Körpers zu erzeugen.

Frage, die sie beantwortet: Welches Bild würde diese Sequenz für dieses Gewebe ergeben?

Lässt aus: Die Relaxationswerte des Gewebes sind Durchschnitte, und Bewegung und Hardwareunvollkommenheiten werden nur teilweise modelliert.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob Bloch-Gleichungs-Simulation eines ganzen Volumens auf einer GPU.Seit: 2005 Benoit-Cattin und Kollegen, der interaktive MRT-Simulator SIMRI. Quelle

Simulation der Frakturheilung

Die mechanische Belastung im Heilungsspalt eines gebrochenen Knochens entscheidet, ob sich Knorpel, neuer Knochen oder Narbengewebe bildet.

Frage, die sie beantwortet: Erlaubt diese Frakturfixierung dem Knochen zu heilen?

Lässt aus: Die Regel der Gewebedifferenzierung ist empirisch, und die Blutversorgung ist vereinfacht.

Läuft auf: etwa 10¹⁰ FLOPS grob Finite-Elemente-Lösungen über simulierte Wochen auf einer Workstation.Seit: 1999 Claes und Heigele, lokale Spannung und Dehnung entlang von Knochenoberflächen sagen Verlauf und Art der Frakturheilung voraus. Quelle

Virusdynamik im Wirt

Freie Viren, infizierte Zellen und Zielzellen in einem Patienten werden verfolgt, und ihre Veränderung nach Behandlungsbeginn verrät, wie schnell Viren gebildet und abgebaut werden.

Frage, die sie beantwortet: Wie schnell vermehrt sich das Virus in einem Menschen, und was ändert die Behandlung?

Lässt aus: Gewebestruktur und andere Infektionsorte als das Blut werden nicht dargestellt.

Läuft auf: etwa 10⁷ FLOPS grob einige wenige gekoppelte Differentialgleichungen, angepasst an die Zeitreihe eines Patienten.Seit: 1996 Perelson und Kollegen, HIV-1-Dynamik in vivo. Quelle

Koronare Flussreserve aus Scans

Der Blutfluss durch die Herzkranzgefäße wird aus einer Herzaufnahme berechnet, um abzuschätzen, ob eine Verengung den Fluss so stark behindert, dass ein Stent nötig ist.

Frage, die sie beantwortet: Reicht diese Verengung aus, um den Herzmuskel von Blut abzuschneiden?

Lässt aus: Randbedingungen an den kleinen Gefäßen werden aus dem Patienten geschätzt statt gemessen.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob Eine patientenspezifische Strömungsberechnung pro Scan auf einem Cluster.Seit: 2013 Taylor und Kollegen, CFD angewandt auf Herz-CT zur nichtinvasiven Quantifizierung der fraktionellen Flussreserve. Quelle

Mechanik der Cochlea

Schallwellen in der Flüssigkeit des Innenohrs sind an die schwingende Membran in der Cochlea gekoppelt und erzeugen die Wanderwelle, die Tonhöhen sortiert.

Frage, die sie beantwortet: Wie verwandelt das Ohr Schall in ein ortskodiertes Signal?

Lässt aus: Die aktive Verstärkung durch Haarzellen wird durch genäherte Rückkopplung dargestellt.

Läuft auf: etwa 10¹⁰ FLOPS grob Finite-Differenzen-Lösungen der Cochlea-Flüssigkeit auf einer Workstation.Seit: 1981 Neely, eine Finite-Differenzen-Lösung eines zweidimensionalen Modells der Cochlea. Quelle

Integrative Ganzkörperphysiologie

Blutdruck, Niere, Flüssigkeitshaushalt und Hormone sind zu einem Modell des Kreislaufs und seiner Regulation verknüpft.

Frage, die sie beantwortet: Wie reguliert der Körper den Blutdruck, und was passiert, wenn ein Organ ausfällt?

Lässt aus: Jedes Organ ist ein konzentriertes Kompartiment, und zelluläre Details fehlen.

Läuft auf: etwa 10⁶ FLOPS grob Hunderte Differentialgleichungen auf einem Laptop.Seit: 1972 Guyton, Coleman und Granger, Kreislauf: Gesamtregulation. Quelle

Biowärmeübertragung und Hyperthermie

Wärmeleitung im Gewebe, bei der der Blutstrom Wärme abtransportiert, genutzt zur Vorhersage der Temperatur bei Fieber, Hitzestress oder wärmebasierter Krebsbehandlung.

Frage, die sie beantwortet: Wie heiß wird das Gewebe, und wie tief reicht die Wärme?

Lässt aus: Die Durchblutung wird als gleichförmige Wärmesenke behandelt.

Läuft auf: etwa 10⁹ FLOPS grob Finite-Elemente-Wärmelösungen auf einer Workstation.Seit: 1948 Pennes, Analyse der Gewebe- und Arterienbluttemperaturen im ruhenden menschlichen Unterarm. Quelle

Transportmodelle des Nierennephrons

Wasser, Salz und Harnstoff bewegen sich durch die Schleifen und Tubuli der Niere, als gekoppelte Ströme gelöst, um zu zeigen, wie Urin konzentriert wird.

Frage, die sie beantwortet: Wie ermöglicht die Gegenstromanordnung der Tubuli, dass die Niere den Urin konzentriert?

Lässt aus: Eigenschaften und dreidimensionale Anordnung der Tubuli sind bei wenigen Arten gemessen, deshalb werden die Parameter von Tieren extrapoliert.

Läuft auf: etwa 10⁹ FLOPS grob Minuten bis Stunden auf einer Workstation.Seit: 1966 Stephensons Analyse der Konzentrierung in renalen Gegenstromsystemen. Quelle

Modelle der Stimmlippen und der Stimmerzeugung

Die Stimmlippen als Massen an Federn, angetrieben von Luft aus der Lunge, gekoppelt an die Form von Rachen und Mund, um stimmhaften Klang zu erzeugen.

Frage, die sie beantwortet: Welche physikalischen Einstellungen der Falten ergeben eine klare, hauchige oder raue Stimme?

Lässt aus: Die Falten sind auf wenige Massen reduziert, daher werden Gewebeschichten und die volle dreidimensionale Luftströmung nicht erfasst.

Läuft auf: etwa 10⁸ FLOPS grob Sekunden bis Minuten pro Satz stimmhaften Klangs.Seit: 1972 Ishizaka und Flanagans Zwei-Massen-Modell der Stimmlippen zur Synthese stimmhafter Laute. Quelle

Modelle der zirkadianen Uhr

Gekoppelte Oszillatoren, die für die innere Uhr stehen, reagieren auf Licht und den Zeitpunkt der Ruhe und sagen voraus, wie sich Schlaf und Wachheit bei geändertem Zeitplan oder auf Reisen verschieben.

Frage, die sie beantwortet: Wie lange braucht die innere Uhr, um sich nach einem Flug oder einem Schichtwechsel umzustellen?

Lässt aus: Einige wenige Oszillatoren stehen für ein ganzes Neuronennetz, und Menschen unterscheiden sich stark in Taktperiode und Lichtempfindlichkeit.

Läuft auf: etwa 10⁵ FLOPS grob Sekunden auf einem Laptop.Seit: 1982 Kronauer und Kollegen, mathematisches Modell des menschlichen zirkadianen Systems mit zwei wechselwirkenden Oszillatoren. Quelle

Kompartiment-Epidemiemodelle

Eine Bevölkerung, aufgeteilt in Anfällige, Infizierte und Genesene, mit Raten, die zwischen ihnen fließen.

Frage, die sie beantwortet: Wie groß wird dieser Ausbruch, und wann erreicht er seinen Höhepunkt?

Lässt aus: Setzt homogene Durchmischung voraus, bei der jeder jeden mit gleicher Rate trifft, was reale Kontaktmuster nicht erfüllen.

Läuft auf: etwa 10⁹ FLOPS grob ein Laptop, der eine Handvoll gekoppelter Epidemiegleichungen löstSeit: 1927 Kermack und McKendricks Gleichungen für eine abgeschlossene Epidemie

Das interaktive Modell ausführen

Agentenbasierte Epidemien

Eine synthetische Bevölkerung einer ganzen Stadt oder eines Landes, jede Person mit Haushalt, Schule oder Arbeitsplatz und Kontakten, über die sich Krankheit ausbreitet.

Frage, die sie beantwortet: Welche Maßnahmen bremsen die Ausbreitung am stärksten, zu den geringsten Kosten?

Lässt aus: Braucht detaillierte Haushalts-, Schul- und Arbeitsplatzdaten, die vielen Ländern fehlen.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob ein Universitätscluster, der eine synthetische Bevölkerung im Landesmaßstab simuliertSeit: 2005 Longini, Ferguson und Kollegen, agentenbasierte Modelle der Influenza-Pandemie

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Evolution von Krankheitserregern

Mutationen, die in einem Virus oder Bakterium auftreten und sich ausbreiten, während es zwischen Wirten weitergegeben wird.

Frage, die sie beantwortet: Wie schnell könnte sich eine Resistenz gegen diesen Wirkstoff entwickeln?

Lässt aus: Echte Mutations- und Fitnesslandschaften sind weit komplexer als eine Handvoll Genorte.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die die Evolution von Medikamentenresistenz simuliertSeit: 1990 frühe stochastische Modelle der Evolution von Medikamentenresistenz bei HIV

Krankheitslast und gesundheitsökonomische Modellierung

Eine Krankheit und ihre Behandlungen, verfolgt als Wahrscheinlichkeiten von Erkrankung, Behinderung, Kosten und Tod; damit wird verglichen, welche Gesundheitsmaßnahmen pro ausgegebenem Pfund am meisten nützen.

Frage, die sie beantwortet: Welche Behandlung oder welches Programm bringt für das Geld die meisten gesunden Lebensjahre?

Lässt aus: Einem Lebensjahr oder Leiden eine Zahl zuzuweisen, ist ein Werturteil, das als Rechnung daherkommt.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein Kohorten-Kosteneffektivitätsmodell ausführtSeit: 1993 die globale Studie der Weltbank zur Krankheitslast in behinderungsbereinigten Lebensjahren

Genomische Epidemiologie von Ausbrüchen

Genome von Krankheitserregern, die während eines Ausbruchs entnommen werden, um einen Stammbaum der Infektionen zu bauen und zu schließen, wer wen wahrscheinlich angesteckt hat und wie schnell sich der Ausbruch ausbreitet.

Frage, die sie beantwortet: Wie breitet sich dieser Ausbruch tatsächlich aus, jenseits dessen, was Kontaktverfolgung allein sieht?

Lässt aus: Nur sequenzierte Fälle erscheinen im Stammbaum, sodass eine dünne oder verzerrte Stichprobe in die Irre führen kann.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob ein Universitätscluster, der Bäume aus Tausenden Genomen aufbautSeit: 2013 Genomische Verfolgung eines Ebola-Ausbruchs in Westafrika in Echtzeit

Risikobewertung bei Umwelt- und Chemikalienexposition

Wie sich die Belastung einer Bevölkerung durch einen Schadstoff, eine Lebensmittelverunreinigung oder eine Strahlendosis in eine Schadenswahrscheinlichkeit übersetzt, durchgerechnet über die ganze Spanne der Unsicherheit in den Daten.

Frage, die sie beantwortet: Wie viel von dieser Chemikalie ist für eine ganze Bevölkerung unbedenklich?

Lässt aus: Von hohen Testdosen bei Tieren auf niedrige Dosen beim Menschen zu extrapolieren, bleibt eine Ermessensentscheidung.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein Monte-Carlo-Dosis-Wirkungs-Modell ausführtSeit: 1983 das Rahmenwerk des US National Research Council für die chemische Risikobewertung

Epidemiemodelle auf Mobilitätsnetzen

Krankheitsausbreitung, simuliert über ein globales Netz von Städten, die durch Pendler- und Flugreisedaten verbunden sind.

Frage, die sie beantwortet: Wie schnell wird ein Ausbruch andere Regionen und Länder erreichen?

Lässt aus: Die Durchmischung innerhalb jeder Stadt ist vereinfacht, und Verhaltensänderungen werden nicht modelliert.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob Stochastische Läufe über Tausende von TeilpopulationenSeit: 2009 Multiscale mobility networks and the spatial spreading of infectious diseases (2009) Quelle

Individuenbasierte Malariamodelle

Simulierte Menschen, Mücken und Parasiten bilden die Infektion im Wirt und die Übertragung ab, um Bekämpfungsstrategien zu testen.

Frage, die sie beantwortet: Welche Mischung aus Netzen, Medikamenten und Impfstoffen würde die Malariaübertragung senken?

Lässt aus: Mückenökologie und lokale Gesundheitssysteme werden grob modelliert.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob Viele stochastische Läufe eines simulierten DorfsSeit: 2008 Towards a comprehensive simulation model of malaria epidemiology and control (2008) Quelle

Szenario-Modellierungs-Hubs

Mehrere Modellierungsteams rechnen dieselben Was-wäre-wenn-Annahmen zu Impfstoffen oder Varianten, und die Projektionen werden zu einem Ensemble zusammengeführt.

Frage, die sie beantwortet: Welche Bandbreite an Zukünften folgt aus jeder Annahme zu Politik oder Variante?

Lässt aus: Szenarien sind bedingt, keine Vorhersagen dessen, was geschehen wird.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob Ensemble von Epidemiemodellen mehrerer TeamsSeit: 2020 US COVID-19 Scenario Modeling Hub, ab Dezember 2020 Quelle

Digitale Kontaktnachverfolgungsmodelle

Übertragungsmodelle mit einem App-gestützten Nachverfolgungsschritt schätzen, wie schnell Nachverfolgung und Isolation sein müssen, um die Ausbreitung zu stoppen.

Frage, die sie beantwortet: Wie schnell müssen Kontakte nachverfolgt werden, um eine Epidemie unter Kontrolle zu bringen?

Lässt aus: Inanspruchnahme und Befolgung sind angenommene Werte.

Läuft auf: etwa 10⁹ FLOPS grob Verzweigungsprozess- oder AgentenläufeSeit: 2020 Quantifying SARS-CoV-2 transmission suggests epidemic control with digital contact tracing (2020) Quelle

Ausbreitung antimikrobieller Resistenz

Anfällige und resistente Bakterien konkurrieren in Patienten und verbreiten sich unter verschiedenen Antibiotikastrategien wie Wechsel, Mischung oder Kombinationstherapie.

Frage, die sie beantwortet: Welche Behandlungspolitik bremst den Anstieg resistenter Infektionen?

Lässt aus: Resistenzkosten und Übertragungsraten sind schlecht gemessen, und die Ergebnisse hängen von ihnen ab.

Läuft auf: etwa 10⁹ FLOPS grob Kompartiment- und individuenbasierte Krankenhausmodelle auf einem Laptop.Seit: 1997 Bonhoeffer, Lipsitch und Levin, Bewertung von Behandlungsprotokollen zur Vermeidung von Antibiotikaresistenz. Quelle

Modelle der Malariaübertragung und von Gegenmaßnahmen

Mückenstiche, Parasitenentwicklung, menschliche Immunität und Maßnahmen wie Moskitonetze oder Impfstoffe werden in einem Dorf oder Land gemeinsam simuliert.

Frage, die sie beantwortet: Welche Kombination von Maßnahmen kann Malaria verringern oder beseitigen?

Lässt aus: Mückenökologie und lokales menschliches Verhalten sind schlecht gemessen.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob Individuenbasierte Simulation eines Landes über Jahrzehnte auf einem Cluster.Seit: 2008 Smith und Kollegen, „towards a comprehensive simulation model of malaria epidemiology and control“. Quelle

Simulation der Übertragung über die Raumluft

Atmen, Husten und Sprechen setzen Tröpfchen und Aerosole in einen Raum frei, und die Strömungsmechanik verfolgt, wohin sie gelangen und wie viel eine zweite Person einatmet.

Frage, die sie beantwortet: Wie weit reicht ausgeatmetes Virus, und wie stark senken Masken oder Lüftung die Belastung?

Lässt aus: Infektionsdosis und echte Raumbedingungen schwanken stärker, als es irgendein Simulationsaufbau annimmt.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob Large-Eddy-Simulation eines Raums mit Partikelverfolgung auf einem Cluster.Seit: 2020 Mittal, Ni und Seo, die Strömungsphysik von COVID-19, ein Überblick über Rechenstudien zu Atemströmungen. Quelle

Simulation der Tabakkontrollpolitik

Beginn und Aufgabe des Rauchens sowie Todesfälle in einem Land werden unter Steuern, Verboten und Kampagnen hochgerechnet. Heraus kommen die Veränderung der Raucherquote und die geretteten Leben.

Frage, die sie beantwortet: Wie viele Leben würde eine Steuer oder ein Rauchverbot retten?

Lässt aus: Politikeffekte stammen aus früheren Befunden und lassen sich möglicherweise nicht auf neue Umgebungen übertragen.

Läuft auf: etwa 10⁶ FLOPS grob Bevölkerungsprojektionsmodell auf einem Laptop.Seit: 2000 Levy, Cummings und Hyland, eine Simulation der Auswirkungen von Politiken gegen den Raucheinstieg Jugendlicher auf den gesamten Zigarettenkonsum. Quelle

Optimierung der Impfstoffverteilung

Ein Epidemiemodell wird mit einem Optimierer kombiniert, der wählt, welche Alters- oder Risikogruppen den knappen Impfstoff zuerst erhalten.

Frage, die sie beantwortet: Wer sollte zuerst geimpft werden, um die meisten Leben zu retten?

Lässt aus: Kontaktmuster und Impfstoffwirksamkeit sind unsicher, und die beste Gruppe hängt vom Ziel ab.

Läuft auf: etwa 10⁸ FLOPS grob Optimierung über viele Epidemieläufe auf einer Workstation.Seit: 2009 Medlock und Galvani, Optimierung der Verteilung von Grippeimpfstoff. Quelle

Virtuelle Bildgebungsstudien

Simulierte Patienten, Scanner und Befunder werden genutzt, um Bildgebungstechnologien zu vergleichen, ohne echte Menschen einzubinden.

Frage, die sie beantwortet: Findet ein neues Bildgebungsgerät Krebs so gut wie das aktuelle?

Lässt aus: Virtuelle Läsionen und Befunder sind Modelle, die die echte klinische Vielfalt verfehlen können.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob Tausende simulierte Bilder auf einem Cluster.Seit: 2018 Badano und Kollegen, In-silico-Bildgebungsstudie zur digitalen Brust-Tomosynthese im Vergleich zur Vollfeld-Mammografie. Quelle

Epidemien in Kontaktnetzwerken

Krankheit breitet sich zwischen Knoten eines Netzwerks aus, dessen Gradverteilung stark ungleich sein kann, und das Ergebnis hängt von den Knotenpunkten ab.

Frage, die sie beantwortet: Ab welcher Übertragbarkeit nimmt eine Epidemie in einem Netzwerk mit Knotenpunkten Fahrt auf?

Lässt aus: Echte Kontaktnetze verändern sich mit der Zeit und werden nur teilweise beobachtet.

Läuft auf: etwa 10⁷ FLOPS grob Monte-Carlo-Ausbreitung auf Netzwerken mit einer Million Knoten auf einer Workstation.Seit: 2001 Pastor-Satorras und Vespignani, Epidemieausbreitung in skalenfreien Netzwerken. Quelle

Populationsdynamik von Stechmücken

Eier, Larven, Puppen und erwachsene Tiere einer krankheitsübertragenden Mücke entwickeln sich in Behältern bei lokaler Temperatur und Regenmenge; das ergibt die Zahl der Stiche.

Frage, die sie beantwortet: Wie viele Stechmücken wird es in der nächsten Saison geben, und was bewirkt es, Brutstätten zu beseitigen?

Lässt aus: Brutstätten sind schwer zu zählen und unterscheiden sich von Straße zu Straße.

Läuft auf: etwa 10⁷ FLOPS grob Lebenstafel-Simulation auf einem Laptop.Seit: 1993 Focks und Kollegen, ein dynamisches Lebenstafelmodell für Aedes aegypti. Quelle

Mikrosimulation der Krebsfrüherkennung

Individuelle Lebensverläufe mit dem natürlichen Verlauf von Krebs werden mit und ohne Früherkennung simuliert, um gefundene Fälle und verhinderte Todesfälle abzuschätzen.

Frage, die sie beantwortet: Wie viele Todesfälle verhindert ein Früherkennungsprogramm, und um welchen Preis an Überdiagnosen?

Lässt aus: Der unbeobachtete frühe Verlauf von Krebs muss angenommen werden.

Läuft auf: etwa 10⁹ FLOPS grob Millionen simulierter Leben auf einer Workstation.Seit: 1985 Habbema und Kollegen, das Simulationsprogramm MISCAN zur Bewertung von Früherkennungsprogrammen. Quelle

Agentenbasierte Modelle zu Adipositas und Ernährung

Agenten mit Gewicht, Einkommen und Nachbarn essen und ziehen um, und die Verteilung des Körpergewichts in der Bevölkerung verschiebt sich bei Änderungen von Lebensmittelpreisen oder Politik.

Frage, die sie beantwortet: Welche Maßnahmen verschieben über Jahrzehnte das Körpergewicht der Bevölkerung?

Lässt aus: Das Verhalten ist auf wenige Regeln reduziert, und Langzeitbelege sind dünn.

Läuft auf: etwa 10⁸ FLOPS grob Agentenbasierte Bevölkerungssimulation auf einer Workstation.Seit: 2007 Hammond und Epstein, Erkundung preisunabhängiger Mechanismen in der Adipositas-Epidemie. Quelle

Simulation der Organvergabepolitik

Patienten auf einer Transplantationswarteliste, eintreffende Spenderorgane und Vergaberegeln werden simuliert, um Wartezeit und Überleben zu vergleichen.

Frage, die sie beantwortet: Welche Zuteilungsregel ergibt die meisten Lebensjahre und die fairste Wartezeit?

Lässt aus: Die Organqualität und die Entscheidungen von Patienten und Zentren sind vereinfacht.

Läuft auf: etwa 10⁸ FLOPS grob Ereignissimulation von Jahren an Wartelisten auf einem Laptop.Seit: 2000 Zenios, Chertow und Wein, dynamische Zuteilung von Nieren an Kandidaten auf der Transplantationswarteliste. Quelle

Modelle für den Einsatz von Rettungswagen und Feuerwachen

Notrufe treffen zufällig ein, Einheiten werden disponiert, und ein Warteschlangenmodell liefert Reaktionszeiten für jeden Standort und jede Bezirksaufteilung.

Frage, die sie beantwortet: Wo sollten Stationen und Einheiten stehen, um die Reaktionszeit zu senken?

Lässt aus: Reisezeiten und die wahre Streuung der Nachfrage werden angenommen.

Läuft auf: etwa 10⁷ FLOPS grob Warteschlangen und Monte-Carlo auf einem Laptop.Seit: 1974 Larson, ein Hypercube-Warteschlangenmodell für Standortwahl und Neuzuschnitt von Einsatzbezirken bei städtischen Notdiensten. Quelle

Erzeugung synthetischer Patientenakten

Künstlichen Menschen werden Krankheiten, Behandlungen und Begegnungen nach veröffentlichten klinischen Regeln zugewiesen, um realistische Krankenakten zu erzeugen, die keine echte Person enthalten.

Frage, die sie beantwortet: Lassen sich Software und Analysen an realistischen Datensätzen testen, ohne die Daten irgendeiner Person preiszugeben?

Lässt aus: Die Datensätze enthalten nur die Muster, die in den Generator eingebaut wurden, deshalb sind seltene Krankheiten und echte Behandlungswege dünn vertreten.

Läuft auf: etwa 10¹⁰ FLOPS grob ein Lauf im Laptop-Maßstab für eine Million Patienten.Seit: 2010 Buczaks und Kollegen datengetriebener Ansatz zur Erzeugung synthetischer elektronischer Patientenakten. Quelle

Prädiktive Toxikologie

Die Struktur eines Wirkstoffkandidaten wird mit Datenbanken bekannter giftiger Moleküle verglichen oder durch Modelle geschickt, die mit Labor- und Tierdaten trainiert wurden, bevor er überhaupt synthetisiert wird.

Frage, die sie beantwortet: Schadet dieses Molekül wahrscheinlich Leber, Herz oder Erbgut, bevor wir es herstellen?

Lässt aus: Die Vorhersagen sind nur so zuverlässig wie die früheren toxischen Moleküle, mit denen das Modell trainiert wurde, und es tauchen weiterhin biologische Ausnahmen auf.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob ein Universitätscluster, der ein trainiertes Toxizitätsvorhersagemodell ausführtSeit: 2000 frühe Struktur-Wirkungs-Beziehungsmodelle, mit denen Medikamente auf Toxizität durchmustert wurden

Pharmakodynamische Modellierung

Wie sich die Konzentration eines Wirkstoffs an seinem Ziel in eine Wirkung auf den Körper übersetzt, von der Rezeptorbindung bis zu einem gemessenen Symptom oder Biomarker.

Frage, die sie beantwortet: Welche Wirkung wird eine bestimmte Dosis tatsächlich haben, und wie lange?

Lässt aus: Setzt eine saubere Konzentrations-Wirkungs-Beziehung voraus, die Toleranz und Krankheitsverlauf stören können.

Läuft auf: etwa 10¹⁰ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die eine Handvoll gekoppelter Wirkungsgleichungen löstSeit: 1968 frühe Rezeptorbesetzungsmodelle, die Wirkstoffkonzentration mit Wirkung verknüpfen

Simulation des Designs klinischer Studien

Tausende hypothetische Studien laufen gegen angenommene Patientenvariation und Wirkstoffeffekte, um Größe, Dauer und Abbruchregeln einer Studie zu wählen.

Frage, die sie beantwortet: Wie viele Patienten braucht diese Studie tatsächlich, und wann können wir sie sicher beenden?

Lässt aus: Die simulierte Studie ist nur so realistisch wie die Annahmen über die Patientenreaktion, die man ihr liefert.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob ein kleiner Cluster, der Tausende simulierter Studienwiederholungen ausführtSeit: 1994 frühe Simulationsstudien zur Planung adaptiver klinischer Studiendesigns

Netzwerkmodelle zur Umwidmung von Medikamenten

Medikamente, Gene, Proteine und Krankheiten, in einem großen Netzwerk verknüpft und nach vorhandenen Medikamenten durchsucht, deren bekannte Verbindungen eine unerwartete neue Anwendung nahelegen.

Frage, die sie beantwortet: Könnte ein Medikament, das schon für eine Krankheit zugelassen ist, auch eine andere behandeln?

Lässt aus: Eine Verbindung im Netzwerk ist ein Hinweis, kein Beweis; die meisten vorgeschlagenen Umwidmungen scheitern im Test trotzdem.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein großes Wirkstoff-Gen-Krankheit-Netzwerk durchsuchtSeit: 2011 frühe netzwerkbasierte Durchmusterungen nach Kandidaten für die Umwidmung von Medikamenten

Modellierung von Arzneimittelformulierung und -abgabe

Eine sich auflösende Tablette, ein Pflaster, das etwas freisetzt, oder ein Nanopartikel, das ein Medikament durch den Körper trägt, verfolgt als Diffusion und Reaktion über Minuten bis Tage.

Frage, die sie beantwortet: Wie schnell und wo erreicht dieser Wirkstoff sein Ziel tatsächlich, nachdem er geschluckt oder gespritzt wurde?

Lässt aus: Auflösungsprüfstände im Labor und echte Verdauung stimmen nicht immer überein.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die Diffusions- und Freisetzungsgleichungen löstSeit: 1961 Higuchis mathematisches Modell der Wirkstofffreisetzung aus einer festen Matrix

Entwurf von Impfstoffantigenen

Die Oberfläche eines Erreger-Proteins wird in atomarem Detail simuliert, um die Formen zu finden oder zu entwerfen, die das Immunsystem am besten erkennt und sich merkt.

Frage, die sie beantwortet: Welches Stück dieses Erregers ist das beste Ziel für einen Impfstoff?

Lässt aus: Eine Form, die auf dem Bildschirm wie ein gutes Ziel aussieht, muss in einem echten Immunsystem trotzdem funktionieren.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob ein Universitätscluster, der Atomsimulationen von Kandidaten-Antigenen ausführtSeit: 2013 strukturbasierter Entwurf eines stabilisierten Antigens eines Atemwegsvirus

Closed-Loop-Diabetesregelung in silico

Eine Population virtueller Menschen mit Typ-1-Diabetes, mit Mahlzeiten und Glukose-Insulin-Dynamik, um Steuerungsalgorithmen für die Abgabe vor Studien am Menschen zu testen.

Frage, die sie beantwortet: Würde dieser Regelalgorithmus den Glukosespiegel bei vielen verschiedenen Menschen sicher halten?

Lässt aus: Echtes Verhalten wie Stress, Krankheit und Sensorausfälle wird nur teilweise erfasst.

Läuft auf: etwa 10⁹ FLOPS grob Lange Simulationen virtueller Tage mit Hunderten Probanden auf einem Laptop.Seit: 2009 Kovatchev und Kollegen, In-silico-präklinische Studien zur Regelkreissteuerung bei Typ-1-Diabetes. Quelle