智源数字孪生心脏升级：全自动跨尺度心脏毒性推演，构建“可计算”的药物研发未来
本网讯(中国国际新闻杂志社常务副社长孟小岸推荐，本刊通联部主任李婷推荐）药物研发行业有一个著名的“双十定律”：一款新药的诞生，往往需要耗时 10 年，投入 10 亿美元。在这场漫长且昂贵的长跑中，安全性评估往往是成本最高、不确定性最大的环节，而心脏毒性（Cardiotoxicity）又是导致候选药物在后期临床试验失败、甚至上市后被迫撤回的主要原因之一。
传统的 hERG 钾通道筛选过于单一，动物实验则周期长、成本高且存在明显的种属差异。在人工智能与高性能计算重塑生命科学的今天，一个自然的提问是：能否在药物进入实验室、动物与人体试验前，先在数字孪生心脏中，以足够接近人体真实生理环境下的方式，预测它对心脏的影响来评测其安全性？
带着这个问题，智源研究院生命模拟中心基于智源数字孪生心脏开发了BAAI 虚拟生理心脏：药物心脏毒性全自动定量分析与预测系统。
这是一个以高保真虚拟心脏电生理模型为核心、由 AI 与机制建模协同驱动的跨尺度 in silico（计算机模拟）评估平台，为药物心脏安全性评估提供了更完整、更可靠、更接近临床真实的数字化工具。
系统具备高度的输入灵活性，既可以接收基于预选药物分子结构的 AI 预测结果，也可以直接利用湿实验测得的 IC₅₀ 或文献数据。核心层基于高保真虚拟生理心脏模型，利用微分方程求解，将药物对离子通道的阻滞效应，跨尺度推演至细胞、组织直至整个心脏器官的电活动。
最终，系统输出临床医生通用的虚拟心电图（ECG），并自动量化包括 药物对心电的QT间歇期的影响、尖端扭转型室性心动过速（TdP）在内的致死性心律失常风险。这不仅实现了从“单一指标筛查”到“全系统电生理仿真”的跨越，更契合 FDA/EMA 倡导的 CiPA 新标准，提供了一种更快速精准、符合伦理、成本友好的药物安全性评估新范式。
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全尺度建模，
跨越“微观-宏观”的鸿沟
在计算生物学领域，模拟单个心肌细胞的电生理活动并非新鲜事。然而，药物对心脏的影响是一个非线性的过程，它始于微观离子通道的扰动，经过细胞膜电位的变化，传导至心肌组织，最终表现为器官层面的心电图异常。
现有的行业标杆，如 FDA 推动的 CiPA（综合体外致心律失常测定）项目，主要聚焦于离子通道与单细胞层面的评估。BAAI 虚拟生理心脏试图补上这一尺度间隙，自动化分析实现了定量化分层级指标分析，从细胞到整体的电生理指标全覆盖：
亚细胞级：预测药物对 hERG、Nav1.5、Cav1.2 等关键离子通道的阻滞作用（IC₅₀ 等参数）；
细胞级：模拟动作电位（AP）形态变化，量化 APD₉₀ 等关键指标；
组织级：评估电兴奋在心肌组织中的传导速度、波长及心肌兴奋易损区分布，捕捉折返波等心律失常产生的机理；
器官级：在三维解剖结构的心脏模型上，生成虚拟心电图，直接输出 QRS 宽度、QT 间期、T 波幅度等临床医生熟悉的诊断参数;
这种跨尺度的仿真能力，为药物心脏安全性的全流程评估提供了一套连续、一致的计算框架，也填补了国内外在药物心脏安全性全流程评估领域的空白。
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AI 引导、机理为核的混合架构
在复杂生命系统的建模中，数据驱动方法与机理模型常被视为两条不同路径。BAAI 虚拟生理心脏中采用的是“AI 引导、机理为核”的混合架构：
前端：AI 驱动的快速预测
针对海量的药物分子结构，利用深度学习模型快速预测其理化性质及对心脏离子通道的潜在抑制常数，这一步极大地压缩了筛选空间。
核心：机理驱动的高保真仿真
对于 AI 筛选出的高风险或高潜力分子，将其参数输入到基于严格生物物理方程的虚拟心脏模型中。
系统能够定量预测药物在不同剂量、不同心率下的动力学影响，赋予结果符合生物学第一性原理的可解释性，精准捕捉诸如尖端扭转型室性心动过速等致命风险。
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工程优化：让仿真“超实时”
要让跨尺度仿真进入日常研发与决策流程，仅有理论模型远远不够，计算效率同样是决定性因素。一颗跳动的虚拟心脏背后，是对数百万个空间节点、时间步长的大规模数值求解；如果每一次仿真都以天或周为单位计时，就难以支撑工业化应用。
为了实现产品级的可用性，我们在工程上进行了多项优化：
异构计算架构：基于 MPI + CUDA 多节点并行方案，充分利用 GPU/CPU 的协同能力；
混合精度计算：在保证生物学精度的前提下，利用混合精度加速求解，获得更优的精度–性能平衡；
微服务化部署：采用 Docker 容器化与异步任务调度，支持云端弹性伸缩，支持高通量任务队列与多团队并行使用。
在这些优化的加持下，原本需要以周计的湿实验流程，可以最低缩短至分钟级别完成对应的 in silico 评估。对于用户而言，流程被简化为：上传分子或实验数据，选择仿真方案，系统自动完成资源调度、计算与特征提取，并输出结构化的可视化报告。
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构建“可计算”的药物研发未来
BAAI 虚拟生理心脏直指药物心脏安全性评估中的一个核心瓶颈：如何把离散的微观生物信息证据与宏观临床层面的风险信号连接起来。系统融合人工智能、计算电生理与工程化架构，构建了一套端到端的“虚拟心脏安全护栏”。
这套系统被设计为嵌入现有研发与临床实践的计算模块：一方面，在候选化合物筛选阶段，通过统一的跨尺度指标提前暴露可能药物的心脏毒性（比如引致心律失常的风险）；另一方面，在临床用药场景下，以可追溯的模型输出为医生提供额外的量化证据，用于支持个体化剂量与方案的选择。
从“药物发现”走向更加安全可控的“药物设计”，需要长期、持续的积累，也需要在真实数据和严格评估中不断迭代工具本身。我们相信，AI 与高性能计算正在重构我们理解和干预生命过程的方式，未来的生物医药创新将越来越依靠这种与生命科学深度耦合的智能分析与计算能力。
期待与全球的制药企业、科研机构及更多临床中心携手，在真实问题与严格评估中不断迭代这一平台，让虚拟生理心脏惠及人类健康。
关于 BAAI 数字孪生心脏
“数字孪生心脏”是智源研究院生命模拟中心长期投入的核心方向，围绕“如何用数字化的方式精准还原和模拟每一颗独特的心脏”持续探索，希望为个性化诊疗、风险预测和科学研究提供坚实的支撑。目前，基于这一实时心脏仿真平台，智源已在功能模拟上取得一系列进展，包括：发布心脏电功能超实时仿真系统，构建高速跨尺度心脏药物安全性评价平台，以及开发全自动心脏3D瘢痕重建与定量分析系统等，为虚拟手术规划、新药研发、量化心肌瘢痕等场景奠定了基础，也初步验证了数字孪生心脏在临床应用中的巨大潜力。
智源将持续深耕构建具有高精度解剖结构与电生理特性的虚拟生理心脏，并融合沉浸式交互体验技术，以极致的结构真实性驱动功能仿真的科学性，推动数字孪生心脏从实验室走向临床一线，让“可计算的生命”真正造福人类健康。转自智源研究院