ビッグコンピュートによる巨大な感染症への取り組み

本稿は、Metabiota社のデータサイエンティスト、Kierste Millerによる寄稿です。
Metabiotaで私たちは、感染症とその感染経路の解明に強く心を奪われています。感染症の流行は地球全体に大きなリスクをもたらします。しかし、これらを予測し、監視することは非常に困難です。当社のチームは、保険、民間企業および政府機関のために感染症伝播リスクモデルを作成し、このような一見することのできないリスクを定量化するという課題に取り組んでいます。私たちのエンドユーザーは、感染症の流行に起因する人的または財政的な一定レベルの損失を被る確率を知ることに関心があります。
損失の可能性を評価するために、世界中の疾病伝播事象を予測するのにふさわしいモデルを”シリコン内で”（すなわち、コンピューターシミュレーションによって）作成します。例えば、我々のシミュレーターは、パンデミック・インフルエンザの潜在的な拡散、ならびに2003年のSARSおよび2014年の西アフリカ・エボラ・イベントに類似したアウトブレイクを描写します。私たちは、病気の出現場所、感染速度、感染した人の数、結果として生じる医療利用率と死亡率を確率論的にモデル化します。当社の顧客は、これらの事象に関係する費用に関心を持つことが多いため、経済的影響を定量化する財務モデルとアウトブレイクに関連する保険金請求とを組み合わせています。全体として、私たちは、病気の流行によって引き起こされる潜在的な金銭的損失および人的損失の推定を可能にする、シミュレーションされた非常に大きな事象のセットを作成しています。


上の地図は、私たちのモデルがパリ、フランス、パリ、テキサスなど世界中を旅する人の一日ごとのプロセスをシミュレートする方法を示しています。個人がネットワークエッジ横断して移動する確率だけでなく、各ネットワークノード内で病気を伝播する個人の確率をモデル化します。単一の伝染シミュレーションだけで何百万もの計算が行われます。私たちのモデルは膨大な量のデータを取り込んでいるため、当然のことながら、ビッグコンピュート(巨大な計算環境)が必要になります。
以下の表は、私たちの課題の範囲をまとめたものです。私たちのクライアントはまれに起こる出来事の可能性に関心を持っています。そのため、感染症のアウトブレイクを数百万回シミュレートして、その可能性のある結果すべてを見ています。各シミュレーションは、世界中のすべてのノード内およびノード間の病気の伝達を組み込んでおり、完了するのに約1〜4分かかります。私たちは単一の病原体に対する伝播の結果の幅を推定するために何百万ものシミュレーションを実行したいと考えているので、非常に大きな計算タスクを行うことが議論に上がります。この表からわかるように、1つの病原体群のシミュレーションセットは、自分のラップトップで処理すると約26年かかります。それでは明らかに使い物にならないので、代わりにRescaleのクラウドコンピューティングプラットフォームを使用して処理速度を上げています。 Rescaleプラットフォームでは、1つの病原体で26年間掛かった計算を約1日の作業にまで短縮することができます。 1日の終わりに、1800万件を超えるシミュレーションを使用して単一の病原体リスクをプロファイリングし、さまざまな可能性のあるシナリオを取得できました。


私たちは、Rescale上でクラウドコンピューティングを使用することによって、コンピューティングをより迅速に、より安く、より協力的に行うことができるようになりました。 Rescaleのプラットフォームはスケーラブルで、何千ものサーバーを利用して何百万ものグローバルな感染シミュレーションを実行することができ、巨大なコンピューティングリソースを費用対効果の高い方法で活用することができます。データへのアクセスを容易に制御できるため、プラットフォーム上で世界中のパートナーと安全に最先端の感染症リスクモデルの構築を共同で作業することができます。世界各地に広がる伝播性の疾病の複雑さを安価にかつ迅速にシミュレートすることは、素晴らしい技術的成果です。
これは、ライフサイエンスが今日の大きなコンピューティング能力の恩恵を受ける際だった方法の1つに過ぎません。 2014年に発生した西アフリカのエボラ流行のように感染症が広がると、何十億ドルもの人命が危機に瀕しており、我々はRescaleによって得られたシミュレーション結果によって、感染症から立ち直る力を高める重要な情報を得るためのツールを構築しています。
著者について
Kierste Millerは、Metabiota社のデータサイエンティストで、計算生物学、疫学、大災害モデリングを専門としており、感染症のモデリングに重点的に取り組んでいます。彼女は、保険、民間企業、および政府機関向けの世界的伝染病リスク評価製品を開発するチームのメンバーです。