“新冠病毒”模型掠影—“新冠病毒”模型支援抗疫斗争概述—

孙柏林

(中国自动化学会专家咨询工作委员会，北京 100091)

1 前言

2020年是极不平凡的一年。2020年似乎是负能量“黑天鹅”降临的年份，山火、蝗灾、新冠病毒等等灾难四处横飞，让本来就不堪重负的地球喘不过气来，人类可能正在面临着严重的生存危机。特别是新冠病毒全球性肆虐，更确切地说，是一次罕见的全球性危机。截至北京时间2020年10月01日 08∶04∶00，全球新冠肺炎确诊病例超过3500.2430万例，死亡病例超过100.4421万例。这是一个比悲伤更悲惨的数字，也是人类面临的一场共同劫难。

当前，我国已进入常态化疫情防控阶段。这是“危”“机”并存的阶段，要善于在危机与困难中，捕捉和创造发展机遇，用科技之力弥补危机之损，推动社会和平发展与产业优化升级，实现企业高质量发展。

科技赋能疫情防控。而高新技术是中国“战疫”重要法宝。仿真技术也同样是高新技术重要的一环，而且也同样地发挥了重要的作用。如所周知，数学建模是应用数学的一项重要应用方法，一个简洁有效的数学模型能帮助人们更好的对于新冠病毒的危害，作出更准确的判断。有多少人将会死于新冠病毒，数据模型可以告诉人们答案。

模型的最大用途是使我们从自己惯常的盲目性中摆脱不确定性和风险，尤其是在遇到并非总是具有直觉意义的事件时。美国卡内基梅隆大学教授，斯宾格特说：“建模起着至关重要的作用。” 那是因为病毒的大流行和气候变化都是“非线性”事件。

为此，国内外许多专家学者都从不同角度，从数学模型的角度探讨新冠病毒传染问题。本文则是从宏观上对于这一问题进行探讨。

2 党中央高度重视科学技术在抗疫中的重要作用

在全国抗击新冠肺炎疫情表彰大会上，习近平总书记深入阐述了“生命至上、举国同心、舍生忘死、尊重科学、命运与共”的伟大抗疫精神，激发起亿万人民同舟共济、攻坚克难的强大力量。

在全国抗击新冠肺炎疫情表彰大会上，习近平总书记强调：“尊重科学，集中体现了中国人民求真务实、开拓创新的实践品格。”面对前所未知的新型传染性疾病，我们秉持科学精神、科学态度，把遵循科学规律贯穿到决策指挥、病患治疗、技术攻关、社会治理各方面全过程。科学技术是人类同疾病较量最有力的武器，人类战胜大灾大疫离不开科学发展和技术创新。正是坚持科学地防、科学地控、科学地治、科学地管，在统筹疫情防控和经济社会发展中充分运用现代科技，我们才能取得抗击新冠肺炎疫情斗争重大战略成果、创造人类同疾病斗争史上又一个英勇壮举。

习近平总书记在调研指导新型冠状病毒肺炎疫情防控工作时强调，要鼓励运用大数据、人工智能、云计算等数字技术，在疫情监测分析、病毒溯源、防控救治、资源调配等方面更好地发挥支撑作用。

在以习近平同志为核心的党中央，组织指挥广大科技工作者，用不到一周时间确定新冠病毒全基因组序列，并分离得到病毒毒株，及时与全球共享；在较短时间内构建多个动物模型，为药物、疫苗研发提供重要支撑；北斗高精度定位设备火速驰援火神山、雷神山两座医院建设，为迅速施工争取宝贵时间……新冠肺炎疫情防控阻击战，再一次验证和提升了我国应对大灾大疫的科技实力。

3 中国的“新冠病毒”模型

中国的专家学者们同样地，在为了战胜“新冠病毒”的战斗中，冲锋陷阵。而在中国，也有媒体曾经报道过以钟南山院士为首的一些科学家也曾建立数学模型来进行流行病学方面的研究和推演。

下面举例说明之。

例一，钟南山院士指导的团队成功构建首个新冠肺炎非转基因小鼠模型。2020年6月12日，广州市召开第125场疫情防控复工复产新闻发布会。据广州政府新闻办公室介绍，在钟南山院士指导下，广州医科大学附属第一医院/呼吸疾病国家重点实验室赵金存教授团队应用表达新冠病毒受体人ACE2的腺病毒转导小鼠，快速建立首个新冠肺炎非转基因小鼠模型，此动物模型可应用于新冠治疗药物效果评价、疫苗效果测试及新冠致病机制等多方面研究。该研究为赵金存教授团队与广州海关技术中心国家生物安全检测重点实验室(P3实验室)、美国爱荷华大学、广州再生医学与健康广东省实验室、中国科学院广州生物医药与健康研究院等团队合作，该研究成果于6月10日在线发表于国际顶级期刊Cell(《细胞》)。

例二，中国科学院院士、中国科学院党组成员、副秘书长周琪表示，新冠病毒动物模型研究非常重要。他说，目前为止，有效的动物模型依然是灵长类，比如说猕猴，现在已经看到和人类相同的症状。众所周知，动物模型对于病毒的病理学、疫苗开发和药物筛查至关重要。非人类的灵长类动物模型是临床前实验常用的动物模型，但是费用昂贵、使用不便、需要的设施相对复杂，这限制了这种动物模型在SARS-CoV-2中的应用。

中国科学家成功开发了新冠病毒小鼠模型。然而，小鼠模型则是一种更理想的临床前实验模型，因为其价格便宜、更容易获得，而且是饲养条件简单。

近日，在两项分别发表在Cell和Cell Host & Microbe上的研究论文中，来自中国的科学家们开发了可以用于SARS-CoV-2和COVID-19研究的小鼠模型，为SARS-CoV-2及COVID-19提供了一种方便实用而经济实惠的动物模型。

在第一项发表在Cell(Pathogenesis of SARS-CoV-2 in transgenic mice expressing human angiotensin-converting enzyme 2)上的研究中，来自中科院武汉病毒研究所、中国科学院大学、华中科技大学同济医学院和北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员开发了一种表达人血管紧张素转换酶2(ACE2)的转基因小鼠(HFH4-hACE2 in C3B6 mice)，研究人员发现这种小鼠感染SARS-CoV-2后的肠道、肺炎症状及病理学特征与COVID-19患者很相似。

第二项研究发表在Cell Host & Microbe(A mouse model of SARS-CoV-2 infection and pathogenesis)上，研究人员在一种感染SARS-CoV-2的小鼠模型再现了在人类患者中观察到的特征。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，研究人员得到了能够产生人类血管紧张素转换酶II (hACE2)的老鼠，这种受体是SARS-CoV-2结合并用来进入人类细胞的。

中国国家食品和药物控制研究所(NIFDC)的共同高级研究作者Wang You-Chun说：“非常需要一个小动物模型来复制在COVID-19患者中观察到的临床过程和病理。这里描述的动物模型为研究SARS-CoV-2感染和传播提供了一个有用的工具。”Wang和他的同事使用CRipsR/Cas9生成了能够表达hACE2的小鼠模型。

例三，国际学术期刊《自然》近日正式刊印了华中科技大学公共卫生学院团队的最新研究成果，这一研究是在前期总结武汉市公共卫生干预措施与疫情流行趋势关联性的论文基础上，进一步通过数学模型评估了防控效果，揭示了新冠病毒的传播特征。新的模型研究揭示了新冠病毒具有两大特征：高传染性和高隐蔽性。新冠病毒的高传染性和高隐蔽性大大增加了疫情防控的难度，也解释了病毒在全球范围内迅速传播的原因。研究还进一步通过模型预测，评估了在不同条件下解除防控措施导致疫情反弹的可能性。

例四，由国防科技大学系统工程学院平行仿真团队、中南大学湘雅三医院、湖南大学国家超算长沙中心携手组建的联合攻关团队，通过基于多Agent的计算实验方法(从微观个体角度，结合宏观政策开展实验)，构建了一个不见硝烟却似实战的“虚拟战场”——新冠病毒传播预测和防控措施评估系统。

该系统由疫情传播情景构造、计算实验方案设计、计算实验支撑环境、疫情传播可视化和措施评估等模块构成。打个比方说，“虚拟战场”的运行过程就像是开一局“CS游戏”：疫情传播情景构造模块可以根据疫情的传播特征，给“游戏”设定合适参数；计算实验方案设计模块则负责生产大量实验样本，给“游戏”构造人物、建筑、场景等模型；疫情传播可视化模块能实时展现“游戏”的运行画面，让人们直观看到疫情的传播过程；措施评估模块像是“游戏”结束后的评价，反映出防控措施的效果；计算实验支撑环境模块就是提供计算支持、保障“游戏”运行的服务器——天河超级计算机，依赖其强大的运算速度和计算能力，让“虚拟战场”可以快速运行和高效产出。

通过在“虚拟战场”设计海量样本，科研人员能够对疫情的传播过程进行多路径演化和复盘分析。针对人口分布、医疗资源储备、文化背景等特征，评估和优化各种防控措施组合，特别是从成本和效果两个角度，对每个人的防控措施进行精细化评测。通过反复计算实验、迭代寻优，实现对防控预案的分级评价，为政府治理提供合理有效的建议。

天有不测风云。各类突发事件正对国家治理、国家安全带来严峻挑战。根据事件发展变化可做出灵活调整的“虚拟战场”，将在疫情和灾情防控一线发挥出更加重要的作用。

例五，香港科学家通过模型估算新冠病毒传播时间点。中国香港大学世卫传染病流行病学及控制合作中心的刘浩然及其同事对广州市第八人民医院94名新冠肺炎患者的病毒排出时间模式进行了调查，研究表明新冠肺炎患者可能在出现初始症状的两三天前便开始排出或分泌新冠病毒。相关论文4月15日发表于《自然—医学》。

刘浩然及其同事采集了94名新冠肺炎这些患者的咽拭子——从最开始出现症状到之后的32天内；总计分析了414份咽拭子，发现患者的病毒载量在其症状初发时最高。此外，他们还利用来自公开数据的另外77个“传播对”信息，对新冠肺炎的传染力特征进行建模。

中国的科学技术专家学者们为了构筑新冠病毒模型的例子真是不胜枚举。

4 国际上的“新冠病毒”模型

在当代社会，尤其是欧美国家，在面对诸如新冠病毒这类重大突发事件时，科学家们往往会通过快速建立相应的数学模型来推算可能会出现的风险后果，这种被量化的数据可以为政治家们作出重大政策决定提供理论依据，甚至还可以帮助社会普通公众作出风险判断。放眼全球，使用数学和计算机模拟方法研究疫情的传播和防控，国外已有很多成果。

1)世界卫生组织

2020年2月14日，世卫组织卫生紧急项目负责人迈克尔·瑞安(中)在例行记者会上发言称，由世界卫生组织和“全球传染病防控研究合作组织”联合举办的新型冠状病毒全球研究与创新论坛在瑞士日内瓦闭幕，论坛确定了关于此次新冠肺炎疫情的9个优先研究领域。世卫组织14日公布了这些领域中的针对性研究方向。

其中，值得注意的第一项就是“模型”的开发研究：为更好地理解新冠病毒的自然史、传播模式和诊断方法，研究人员将专注于病理模型开发，包括感染、疾病和传播的动物模型，并开发用于监测和研究病毒表型改变和潜在适应性的工具，并支持通过应用诊断工具及相关产品来改善临床过程。

2)美国

据报道，美国正在面临严峻的COVID-19疫情，自疫情爆发以来，该国新冠确诊人数已超803万多，而死亡人数接近22万多(10月13日统计)。哥伦比亚大学的研究人员制作了一个模型，显示了如果全美各地提前1周开始启动封锁措施，会发生什么情况。模型显示，如果提前启动封锁，美国早期大约有36000人的新冠病毒死亡或许是可以避免的。

据CNN的最新报道，美国白宫冠状病毒应对协调官员黛博拉·伯克斯博士近日公开表示，分析病毒数据模型可以看到，未来一段时间内美国疫情形势严峻。

美国前财长劳伦斯·萨默斯与哈佛大学经济学家大卫·卡特勒在《美国医学会杂志》12日发表的文章中发出了警告：“新冠病毒大流行将给美国造成16万亿美元的损失!” 萨默斯和卡特勒在文中写道，其中大约8万亿美元与经济封锁和病毒持续传播所造成的国内生产总值损失有关，另一半则来自健康损失，包括过早死亡、精神和长期健康损害。每个死亡病例将给社会造成700万美元损失，而康复者医疗费用共需2.6万亿美元的额外成本，疫情对美国民众心理健康造成的损失将达1.6万亿美元。

据英国《太阳报》2020年4月1日报道，近日，华盛顿大学下属的独立健康指标与评估研究所(IHME)发表了最新的新冠病毒模型预测，该结果认为美国国内的疫情将会持续下去。

研究人员得出结论：“除了大量死亡病例外，美国的这种流行病将使医院的负担远远超出目前医院的管理能力，尤其是在 ICU 护理方面。”

此外，美国克利夫兰诊所研究人员近日开发出世界上首个用于预测单个患者新冠病毒检测呈阳性可能性的风险预测模型。研究人员在《CHEST》上发表研究报告称，这一模型为医疗工作者提供了一个新工具，可以帮助他们预测患者的患病风险并制定针对性的护理措施。

为了创建模型，克利夫兰诊所研究人员收集了在该诊所接受新冠病毒检测的 11672 人的数据。他们使用统计算法，将这些数据转换为列线图，并删除了一些无效变量，最终创建出一个个性化的风险预测模型。该模型显示了年龄、种族、性别、社会经济状况、疫苗接种史和当前用药情况与新冠病毒风险之间的相关性。在不同地区和时间段进行的测试表明，该模型具有较高的可靠性。

研究人员表示，在资源有限而测试需求不断增长的情况下，具有准确预测某人是否可能新冠病毒测试呈阳性及其疾病严重程度的能力至关重要，新模型提供了一种科学的测试方法，这对于医疗界来说十分重要。

3)英国

英国的新冠病毒模型。据《金融时报》，2020年7月25日，由英国牛津大学领衔，英国华威(Warwick)大学和伦敦卫生与热带医学院共同参与的新冠病毒群体免疫感染模型建立成功，为群体免疫政策制定者提供参考依据，希望谨慎制定政策，充分考虑现实状况。

该动力学模型是以年龄结构为基础的确定性分析模型，通过使用来自英国人口的联系数据探索了新冠病毒在不同条件或者年龄层的潜在免疫动力学。

该研究给出了群体免疫政策下，新冠病毒将会迎来的第二次峰值。预计在2020年冬季或2021年春季，感染将达到第二高峰。

4)科学家开发出第一个开放源代码的新冠病毒′S′蛋白全原子模型。由来自韩国首尔国立大学、英国剑桥大学和美国理海(Lehigh)大学的一组研究人员共同合作，建立了首个全长S蛋白的开源全原子模型。研究人员说，这特别重要，因为S蛋白在病毒进入细胞中起着核心作用，使其成为疫苗和抗病毒药物开发的主要靶标。该研究成果论文发表在最近的《物理化学杂志B》 上，题为：“在病毒膜中建立完全糖基化的全长SARS-CoV-2的S蛋白模型”。

5)西班牙

据埃菲社马德里2020年6月9日报道，西班牙一个研究团队设计出一个数学模型，可以模拟新冠病毒的行为，甚至可以考虑到尚未被检测到和记录到的病例。

该模型由马德里康普顿斯大学和阿尔梅里亚大学的科学家共同开发，考虑到了未发现的病例、住院病例、控制措施(例如社交距离)以及措施放松情况等因素。

这项研究是由康普顿斯大学跨学科数学研究所所长安赫尔·曼努埃尔·拉莫斯领导的。

该模型包含了那些未发现的病例，即已经感染新冠病毒但因无症状而未接受检测因此并未被纳入确诊病例的人。

研究人员本杰明·艾沃拉在康普顿斯大学发布的一份报告中解释说：“该模型试图重现这种流行病在其独有特征下的生物学和社会学机制，以及针对其的控制措施的影响。”

这一研究团队设计出的模型还包含了检测到的病例占实际病例总数(检测到的和未检测到的)的比例，从而估算出无症状病例对大流行的影响。

专家指出，通过模拟病毒导致的感染、住院和死亡的行为，该模型“可以评估控制措施的效率，并且可以在制定针对新冠病毒的行动计划时被用作决策工具”。

“该模型可以估算出例如预计要住院的人数或提高控制针对这种流行病的检测能力的重要性。”来自阿尔梅里亚大学的研究员米丽娅姆·R·费兰德斯表示。

报道称，该模型实际上是对此前针对埃博拉病毒设计的一种工具的改编，根据新冠病毒的特征进行了调整。

6)日本的新冠病毒模型。新冠病毒有空气传播风险，日本超级计算机建模提出应对方法。

英国《金融时报》2020年7月8日刊文指出，“富岳”是目前世界上速度最快的超级计算机，由日本理化学研究所(Riken Institute)和富士通公司(Fujitsu)联合开发。日本理化学研究所通过“富岳”模拟了新冠病毒在不同环境下在空气中的传播情况，提出几种降低公共场所感染风险的方法。

理化学研究所首席研究员坪仓诚(Makoto Tsubokura)表示，在通勤列车上开窗可以使通风量增加两到三倍，从而降低空气中病原体的浓度，“研究也表明，若要达到充分的通风效果，乘客间需保持适当的距离。”

当然，世界范围内肯定还会有许多科技先进国家构建有不同的新冠病毒模型，由于种种原因，难以全部阐述。

5 结束语

当今世界正经历百年未有之大变局，新冠肺炎疫情全球大流行使这个大变局加速演进，因此，“察势者明，趋势者智。”

科技创新是向未知进军，需要尊重科学研究灵感瞬间性、方式随意性、路径不确定性等特点。在人类战争史的启示录中，科技的进步与应用是亘古不变的主题。当下的疫情如战争，没有硝烟但来势汹汹：它加速着新技术、新模式对现有工作方式、生活方式的冲击与革新，成为新模式的孵化器。最新的大数据和人工智能技术在新冠肺炎相关科研方面起到了更大作用。在疫情暴发初期，北京大学就建立了疾病发展的动态模型，以评估防控措施。

“上下同心者胜，同舟共济者赢。只要我们在党中央坚强领导下，把亿万人民的智慧和力量凝聚在一起，我们的力量将无坚不摧，我们的事业将无往不胜!”

疫情防控阻击战是一场全人类与病毒的较量，没有人能够独善其身，没有国家可以单打独斗，只要一个国家还有疫情，全球抗疫就不会结束。在大规模传染病疫情面前，唯有团结协作、携手应对，全面加强国际合作，才能战胜疫情。

最后，作者并不是医学范围的专家学者，只是出于公心，从学习过程中，获得了灵感，仅以此文，供大家研讨。不足之处，请批评指正。