Kidney International：人工智能在罕见遗传性肾脏疾病中的应用前景与挑战

近年来，随着大数据和人工智能（AI）技术的快速发展，生物医学领域迎来了革命性的变革。然而，在肾脏病学，尤其是罕见遗传性肾脏疾病领域，AI的应用仍面临诸多挑战。罕见遗传性肾脏疾病种类繁多，超过150种，涉及600多个相关基因，其临床和遗传异质性极高，导致疾病表征和预测的复杂性。此外，数据稀缺、临床表型重叠以及伦理问题进一步增加了AI在这一领域应用的难度。尽管如此，AI在缩短罕见病诊断周期、揭示新的基因和通路机制方面展现出巨大潜力，这被认为是改善罕见病诊疗最紧迫且最具变革性的需求之一。

在疾病表征方面，AI的成功依赖于高质量数据的获取和整合。肾脏病学因其丰富的组织和生物样本资源、可测量的功能参数以及临床和实验室数据的系统性收集，为AI应用提供了独特优势。然而，罕见病数据的稀缺性要求更广泛的协作和专门的数据收集方法。例如，遵循FAIR（可查找、可访问、可互操作、可重用）原则的数据共享机制至关重要。欧洲罕见肾脏病参考网络（ERKNet）和美国多囊肾疾病基金会注册表等平台通过集中化数据资源，促进了罕见病研究的协作。此外，联邦学习技术允许数据在本地中心保存的同时，通过分布式模型实现跨机构学习，例如德国医学信息计划（MIRACUM）联盟开发的临床决策支持系统，能够在保护数据隐私的前提下，帮助医生识别类似病例以辅助诊断。

深度表型分析是AI在罕见病研究中的另一关键环节。传统的结构化数据虽然易于处理，但缺乏对罕见病复杂表型的细致描述。相比之下，电子健康记录（EHR）中的非结构化数据，如临床叙述报告，能够捕捉早期或轻微症状、基因检测结果和鉴别诊断假设，为AI提供了更全面的信息。自然语言处理（NLP）技术在此发挥了重要作用，例如通过提取血液透析患者的症状或识别未确诊的法布里病病例。近年来，大型语言模型（LLM）如GPT-3的出现进一步推动了NLP的发展，研究表明，ChatGPT在罕见病表型识别任务中表现优异，甚至优于传统的生物医学专用模型。然而，LLM的局限性也不容忽视，例如数据偏差和结果的不稳定性，因此需要临床专家的严格验证和监督。

基因型-表型关联分析是理解罕见病机制的核心挑战之一。AI能够整合多组学数据，通过无监督机器学习技术揭示疾病表型与基因变异之间的相关性。例如，在肾单位肾痨相关纤毛病的研究中，AI分析发现了同一纤毛模块中不同基因变异导致的相似表型，为疾病分类提供了新视角。此外，AI在法布里病的血浆蛋白质组学研究中，通过探索性分析和预测模型，成功识别了其分子特征。这些研究不仅深化了对疾病机制的理解，也为精准诊疗奠定了基础。

在临床决策支持方面，AI的应用主要集中在诊断辅助和预后预测。罕见病的诊断通常依赖于基因检测，而AI驱动的变异优先级算法（如Exomiser）能够结合患者表型数据优化测序结果的解读。然而，现有工具在罕见肾脏病领域的针对性仍然不足。为了提高诊断效率，研究者开发了基于患者相似性模型和监督分类的方法，前者适用于数据稀缺的场景，后者则能利用更广泛的模式提升性能。例如，通过从临床数据仓库中筛选表型相似的患者，AI能够帮助识别潜在的罕见肾病患者，从而缩短诊断周期。在预后方面，慢性肾脏病（CKD）是许多罕见病的共同特征，但疾病进展的异质性使得传统预测模型的适用性受限。AI通过整合疾病特异性数据（如肾外并发症和分子标志物），有望开发更精准的预测工具。此外，数字孪生技术的兴起为个体化医疗提供了新思路，通过模拟患者特异性病理生理过程和治疗反应，优化临床试验设计和治疗方案。

尽管AI在罕见遗传性肾脏疾病中展现出广阔前景，其实施仍面临多重挑战。首先，数据隐私和伦理问题尤为突出，例如欧盟《通用数据保护条例》（GDPR）和《人工智能法案》对高风险AI系统的透明性和安全性提出了严格要求。其次，模型的可解释性和信任度是临床应用的关键。AI决策的“黑箱”特性可能导致医生对结果的质疑，因此需要开发可视化工具和交互界面，帮助临床医生理解模型的推理过程。此外，数据偏差和健康公平性问题也不容忽视，现有AI模型多基于特定人群数据，可能无法泛化至其他种族或地区，这要求研究者在模型开发中注重多样性和包容性。

未来，推动AI在罕见病领域的发展需要多学科协作。整合全面的知识库、采用多模态数据融合方法，以及引入领域专家参与模型开发和验证，是确保AI工具可靠性和有效性的关键。同时，提升临床医生的AI素养，优化AI与电子健康记录的集成，将有助于实现数据驱动的诊疗决策。AI不仅能够加速罕见病研究，还能为患者提供更精准的诊疗方案，最终改善其生活质量。

原始出处： 

Chen X, Burgun A, Boyer O, Knebelmann B, Garcelon N. Artificial intelligence and perspective for rare genetic kidney diseases. Kidney International. 2025. https://doi.org/10.1016/j.kint.2025.03.033