Gastbeitrag von Kierste Miller, Datenwissenschaftlerin bei Metabiota
Bei Metabiota sind wir fasziniert von Infektionskrankheiten und ihrer Verbreitung. Epidemien stellen ein immenses Risiko für die gesamte Welt dar, sind jedoch bekanntermaßen schwierig vorherzusagen und zu überwachen. Unser Team erstellt Epidemierisikomodelle für den Versicherungs-, Handels- und Regierungssektor, um dieses scheinbar unkalkulierbare Risiko zu quantifizieren. Unsere Endnutzer möchten wissen, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass Epidemien zu einem bestimmten Grad an menschlichen oder finanziellen Verlusten führen.
Zur Einschätzung der Verlustwahrscheinlichkeit erstellen wir in silico (d. h. durch Computersimulation durchgeführt) Modelle, die plausible Krankheitsübertragungsereignisse weltweit prognostizieren. Unsere Simulatoren bilden beispielsweise die potenzielle Ausbreitung einer Grippepandemie sowie Ausbrüche ähnlich den SARS-Epidemien 2003 und der Ebola-Epidemie in Westafrika 2014 ab. Wir modellieren probabilistisch, wo die Krankheit auftritt, wie schnell sie sich ausbreitet, wie viele Menschen sie infiziert und welche Inanspruchnahme von Gesundheitsleistungen und welche Sterblichkeitsraten daraus resultieren. Unsere Kunden interessieren sich oft für die mit diesen Ereignissen verbundenen Kosten. Daher verknüpfen wir Krankheitsausbreitungsmodelle mit Finanzmodellen, die die wirtschaftlichen Auswirkungen und Versicherungsansprüche im Zusammenhang mit Ausbrüchen quantifizieren. Insgesamt erstellen wir eine extrem große Anzahl simulierter Ereignisse, die die Abschätzung potenzieller finanzieller und menschlicher Verluste durch Krankheitsepidemien ermöglicht.
Die obige Karte veranschaulicht, wie unsere Modelle den Prozess von Personen simulieren, die täglich über den gesamten Globus reisen – beispielsweise von Paris, Frankreich nach Paris, Texas. Wir modellieren die Wahrscheinlichkeit, dass sich Personen über die Netzwerkränder bewegen, sowie die Wahrscheinlichkeit, dass diese Personen innerhalb jedes Netzwerkknotens Krankheiten übertragen. In einer einzigen Epidemiesimulation werden Millionen von Berechnungen durchgeführt. Unsere Modelle beinhalten eine riesige Datenmenge, und natürlich haben wir erhebliche große Rechenleistung Anforderungen.
Die folgende Tabelle fasst unseren Problemumfang zusammen. Unsere Kunden interessieren sich für die Wahrscheinlichkeit seltener Ereignisse, daher simulieren wir tatsächlich Millionen von Ausbrüche von Infektionskrankheiten um die gesamte Bandbreite plausibler Ergebnisse zu betrachten. Jede Simulation berücksichtigt die Krankheitsübertragung innerhalb und zwischen allen Knotenpunkten rund um den Globus und dauert etwa ein bis vier Minuten. Wenn man bedenkt, dass wir Millionen von Simulationen laufen lassen wollen, um die Breite der epidemischen Folgen für einen einzigen Erreger abzuschätzen, sprechen wir hier von einer sehr großen Rechenaufgabe. Wie Sie der Tabelle entnehmen können, würde die Simulationsreihe für eine Erregerfamilie auf meinem eigenen Laptop etwa 26 Jahre dauern! Das ist natürlich nicht hilfreich, also nutzen wir stattdessen die Cloud-Computing-Plattform von Rescale, um die Sache zu beschleunigen. Auf der Rescale-Plattform können wir 26 Jahre Rechenzeit für einen einzigen Erreger auf etwa einen Arbeitstag reduzieren. Am Ende eines einzigen Tages haben wir das Risiko eines einzelnen Erregers anhand von über 18 Millionen Simulationen profiliert, die eine große Bandbreite plausibler Szenarien abdecken.
Wir nutzen Cloud Computing auf Rescale, weil es uns ermöglicht, unsere Berechnungen schneller, günstiger und kollaborativer durchzuführen. Die Plattform von Rescale ist skalierbar – wir können Millionen von globalen Epidemiesimulationen auf Tausenden von Servern ausführen., Und wir können große Rechenressourcen in großem Maßstab und kosteneffizient nutzen. Wir können auf der Plattform sicher mit unseren Partnern weltweit zusammenarbeiten, um hochmoderne Risikomodelle für Infektionskrankheiten zu entwickeln und den Datenzugriff einfach zu kontrollieren. Es ist eine großartige technologische Errungenschaft, die Komplexität globaler Infektionskrankheiten kostengünstig und schnell simulieren zu können.
Dies ist nur ein Beispiel dafür, wie die Biowissenschaften von den heutigen Rechenkapazitäten profitieren. Bei der Ausbreitung von Infektionskrankheiten – wie beim Ebola-Ausbruch in Westafrika im Jahr 2014 – stehen Milliarden von Dollar und Menschenleben auf dem Spiel. Wir entwickeln Tools, um mithilfe der Simulationsergebnisse, die wir über Rescale erhalten, wichtige Informationen zu sammeln und die Widerstandsfähigkeit gegen Epidemien zu erhöhen.
Über den Autor
Kierste Miller ist Datenwissenschaftlerin bei Metabiota und beschäftigt sich mit der Modellierung von Infektionskrankheiten. Ihre Spezialgebiete sind Bioinformatik, Epidemiologie und Katastrophenmodellierung. Sie ist Mitglied eines Teams, das Produkte zur Abschätzung globaler Epidemierisiken für den Versicherungs-, Handels- und Regierungssektor entwickelt.
