37、区块链在基因组学中的应用与发展

区块链在基因组学中的应用与发展

1. 区块链基础概念

区块链是一种去中心化的数据库，它维护着一个不断增长的有序记录集合，这些记录被称为“块”，通过加密技术相互连接。每个单独的块包含交易细节、特定日期以及前一个块的加密哈希值。可以将区块链视为一个去中心化、分布式且开放的数字账本，它用于在多台计算机上记录活动，且在不修改所有后续块并获得网络共识的情况下，无法追溯性地更改记录。

根据网络的运行机制和用户参与网络的方式，区块链可分为以下四类：
| 类型 | 特点 | 示例 |
| ---- | ---- | ---- |
| 公共区块链 | 公共数据库，任何人都可访问，网络参与者无需信任，任何匿名节点都可参与，所有节点接收事件的公共广播，网络中的任何节点都可使用验证块的共识方法 | 比特币区块链 |
| 私有区块链 | 节点在加入网络前需预先选择和筛选，加入后被信任，区块链交易信息通过访问控制机制得到更私密的保护，块确认速度更快 | MultiChain |
| 联盟区块链 | 结合了公共和私有区块链的特点，在有效性和可信度之间取得平衡，由一组选定的节点处理账本，节点需授权才能加入网络，达到预定数量的节点同意后，块和交易才会被验证 | Hyperledger |
| 混合区块链 | 结合了公共和私有区块链的最大特点，为区块链实施提供了更灵活的方法，使企业能够根据特定需求调整区块链解决方案 | 无特定示例 |

区块链有四个基本概念：
- 共享账本：指一种分散的记录系统，分布在公司网络中，以“仅追加”的方式运行。使用共享账本可确保交易被唯一记录，消除传统商业网络中常见的冗余工作。
- 权限：确保操作得到保护、验证和授权。通过限制网络参与，实体可有效遵守数据安全法规，如欧盟通用数据保护条例（EU GDPR）和健康保险流通与责任法案。
- 智能合约：指预先确定的协议或一组规则，用于管理商业交易。这些合约存储在区块链上，并作为交易的一部分自动执行。
- 共识：通过共识过程，网络验证的交易被所有参与者普遍接受。区块链采用多种共识方法，如多签名、实用拜占庭容错和权益证明。

下面是区块链类型的简单流程图：

graph LR
    A[区块链] --> B[公共区块链]
    A --> C[私有区块链]
    A --> D[联盟区块链]
    A --> E[混合区块链]

2. 区块链在基因组学中的应用

比特币技术在创造未来系统和重塑医疗行业方面具有巨大潜力。区块链的目标是将其网络上的所有数据存储在一个数字、去中心化的公共数据库中。尽管区块链技术相对较新，但它已经对医疗保健，特别是遗传医学产生了重大影响。

在基因组学中，区块链技术可以带来多方面的好处：
- 安全存储和共享基因组数据：许多基于区块链的平台，如Shivom、Zenome、EncrypGen、Nebula Genomics和Seqster等，都提供了安全存储和共享基因组数据的功能。用户可以上传自己的基因组数据，并通过智能合约选择是否与研究人员、制药公司等分享，同时确保数据的保密性和隐私性。
- 实验室程序和样本的监测与管理：区块链可以用于监测和管理实验室程序和样本，确保数据的准确性和可追溯性。
- 激励人们参与研究：一些平台通过提供奖励（如代币）的方式，激励人们参与研究，从而加速基因组学研究的进展。

以下是部分区块链基因组学平台的特点对比：
| 平台 | 功能 | 特点 |
| ---- | ---- | ---- |
| Shivom | 安全存储和共享基因组数据 | 使用智能合约保证数据隐私，用户可选择分享数据 |
| Zenome | 存储、共享和货币化基因组数据 | 用户可通过参与临床研究或提供数据赚取代币，有基因分析和个性化医疗工具 |
| EncrypGen | 安全存储和销售基因组数据 | 用户对数据有完全控制权，可决定与谁分享 |
| Nebula Genomics | 安全存储和共享基因组数据 | 用户参与研究可赚取代币，有基因分析和定制治疗工具 |
| Seqster | 收集和交换健康数据（包括基因组数据） | 用户可控制数据分享，有临床试验匹配和个性化医疗资源 |

3. Genesy模型：基于区块链的公平基因组数据生态系统

Genesy模型是一种基于区块链的方法，旨在为基因组数据建立一个公平公正的生态系统。该模型的目标是解决基因组学研究中遇到的数据隐私、数据所有权和数据共享等障碍。

Genesy模型目前的架构包括一个由Genesy Project SRL独家拥有和运营的私有区块链，用于存储用户的个人信息、表型数据和生物特征信息。该系统允许个人将其基因组数据上传到区块链，数据在上传后被加密并安全存储。参与者可以选择与研究人员、制药公司或其他相关方分享数据，并通过智能合约设定数据使用的条款和条件。

Genesy模型的特点、好处和潜在影响如下：
- 特点：基于区块链技术，确保共享数据的完整性和不可变性，防止数据被未经授权的更改。
- 好处：提供一个安全透明的平台，促进基因组数据的共享，有助于加速疾病新治疗方法和治愈方案的开发；确保参与者得到公平对待，公平分配共享基因组数据的好处，解决医学研究领域现有的一些不平等问题。
- 潜在影响：通过提供更安全、公平的基因组数据共享方式，加速疾病新治疗方法和治愈方案的开发，改善患者的健康状况，降低医疗成本；促进医学研究领域的更多合作和创新，带来更多的突破。

Genesy模型的工作流程如下：

graph LR
    A[用户上传基因组数据] --> B[数据加密存储在区块链]
    B --> C[用户通过智能合约选择分享数据]
    C --> D[研究人员等获取数据进行研究]

区块链在基因组学中的应用与发展

4. 区块链在基因组学中的商业应用

随着直接面向消费者的企业开始将DNA测序商业化，近年来客户数量不断增加。这得益于技术的发展，使得基因组测序变得更加便捷和快速。然而，这种模式的公平性引发了一些担忧，有人认为公众应该从购买基因组数据的经济利益中受益，而不是中间商。因此，出现了一类新的企业，它们利用区块链技术建立了一个开放的基因数据交易市场。

4.1 商业基因组市场

基于区块链技术的基因组市场旨在消除中间商，让用户能够直接访问自己的数据。在这些市场中，出租或出售基因数据的用户可以获得多种奖励，其中比特币是最常见的奖励形式。以下是一些常见的区块链基因组市场及其特点：
| 市场 | 特点 |
| ---- | ---- |
| Genecoin | 首次尝试将区块链应用于基因组学，使用外部实验室提供测序服务，将DNA序列加密存储在比特币区块链上 |
| Shivom | 除基本的数据存储和共享功能外，还提供用于分析基因组数据的管道和计算资源 |
| Zenome | 提供数据存储、共享和货币化功能，用户可通过参与临床研究或提供数据赚取代币，有基因分析和个性化医疗工具 |
| Genomes | 为客户提供从测序到区块链存储的安全DNA数据管理方式，用户有保密访问密钥 |
| Genobank | 探索使用非同质化代币（NFT）进行数据追踪和移动性管理，为每个样本分配唯一NFT |

这些市场广泛采用了Genecoin模型，旨在赋予患者对其数据的控制权，并通过提高数据的可访问性来加速基因组学研究。一些市场还提供额外的服务，如数据分析管道和计算资源，研究人员可以使用加密货币或代币支付费用来使用这些服务。许多基因组市场强调可追溯性和数据完整性的重要性，为用户提供安全的数据存储和管理方式。

5. 区块链在基因组学中的非商业应用

除了商业应用，区块链技术在基因组学的非商业领域也有广泛的应用，主要集中在加速遗传数据的处理和分析、安全存储以及数据管理和访问控制等方面。

5.1 加速遗传数据处理和分析

• 全基因组关联研究（GWAS） ：提出了一种注重隐私的GWAS新方法，采用保护匿名性的共享协议和基因片段化框架。将大型基因组文件分割成较小的片段，分配给不同的服务提供商，构建一个去中心化的区块链网络进行存储、共享和分析，解决了数据集中化和隐私问题。
• 去中心化机器学习 ：一些研究建议将区块链技术与机器学习相结合，实现去中心化机器学习。通过在不同企业间训练预测模型，区块链以安全、开放和去中心化的方式促进这一过程。还提出了一种用于联邦学习的区块链方法——Swarm学习（SL），通过安全地招募用户，在本地训练数据并合并模型参数，实现去中心化机器学习，同时让数据所有者保留对大量医疗和遗传数据的控制权。

5.2 安全存储

区块链可用于存储和搜索药物遗传学数据。每一条数据都会被添加到智能合约中，并被赋予一个特殊的ID作为映射键。为了存储更大的数据文件，研究人员开发了一种新的数据格式，将数据压缩方法与私有区块链网络相结合。

5.3 数据管理和访问控制

许多研究关注区块链在管理基因组数据访问权限方面的应用，确保数据的访问得到授权。
- 动态同意 ：一个名为Dwarna的网站利用区块链实现动态同意。该网站连接了研究参与者和研究人员，符合GDPR要求，确保参与者对数据的控制权。通过将参与者的同意记录在区块链上，第三方只有在获得数据所有者的许可后才能访问数据，保护了数据所有者及其亲属的隐私。
- 跨站点日志系统 ：在2018年IDASH竞赛的任务1中，研究了将区块链作为通用日志系统的应用。这种去中心化的跨站点日志系统比传统的集中式内部日志具有许多优势，解决了单点故障和日志被恶意更改的问题。竞赛证明了使用区块链创建跨站点基因组数据访问记录是可行的，并且随着进一步的改进，这种系统有望应用于实际场景。

以下是区块链在基因组学非商业应用的流程总结：

graph LR
    A[加速遗传数据处理和分析] --> B[全基因组关联研究（GWAS）]
    A --> C[去中心化机器学习]
    D[安全存储] --> E[药物遗传学数据存储]
    F[数据管理和访问控制] --> G[动态同意]
    F --> H[跨站点日志系统]

综上所述，区块链技术在基因组学领域展现出了巨大的潜力，无论是商业应用还是非商业应用，都为解决基因组学研究中的诸多问题提供了新的思路和方法。随着技术的不断发展和完善，区块链有望在基因组学领域发挥更加重要的作用，推动医学研究和治疗取得更大的突破。