Blockchain & Machine Learning: Arzneimittel-Lieferketten sicher machen

Jahrelang hatten Pharmaunternehmen Schwierigkeiten, Produkte durch die Lieferkette zu verfolgen. Diese Lücke ermöglichte Fälschern, gefälschte Medikamente in den Markt einzuschleusen.

Blockchain als technologische Basis für Rückverfolgbarkeit

Um das Problem zu lösen, braucht es ein neues System zur Verfolgung und Rückverfolgung von Arzneimitteln. Forscher sehen in Blockchain die technologische Grundlage dafür, da es legitime Medikamente tracken und die Zirkulation von Fälschungen verhindern kann.

Definition: Gefälschte Arzneimittel

Die WHO definiert gefälschte Medikamente als solche, die „betrügerisch hergestellt, falsch etikettiert, minderwertig sind, Herkunftsdetails oder Identität verschleiern und nicht den definierten Standards entsprechen.“

Solche Medikamente können zwar echte Inhaltsstoffe enthalten, aber auch toxische Substanzen auf Produktionsebene. Werden sie eingenommen, verursachen sie schwerwiegende Gesundheitsprobleme.

Manchmal nutzen Fälscher Logos renommierter Unternehmen, um ihre Produkte in den Markt zu bringen. Obwohl ein globales Problem, trifft es Entwicklungsländer überproportional.

Gefälschte Medikamente werden über hochkomplexe Netzwerke vertrieben, was Erkennung und Entfernung erschwert. Zur Verhinderung braucht es ein System, das die Arzneimittellieferung an jedem Schritt nachverfolgen kann. Blockchain ist die jüngste Innovation, die dieses Ziel verspricht.

Wie Blockchain funktioniert

Ursprünglich als Transaktionsprotokoll für Bitcoin geschaffen, bietet Blockchain ein verteiltes Hauptbuch zur Speicherung von Datensätzen in mehreren „Blöcken“. Erfasste Daten umfassen Zeit, Datum, Preis und Beteiligte jeder Transaktion. Ändert sich ein Block, aktualisieren sich alle Teile entsprechend – aktuellste Informationen für jede Transaktion sind gewährleistet.

Auf die pharmazeutische Lieferkette angewendet, bietet Blockchain ein elektronisches Hauptbuch, über das alle Netzwerkteilnehmer Informationen einsehen und validieren können.

Sicheres Lieferkettenmanagement mit Hyperledger Fabric

Für ein sicheres Drug-Supply-Chain-Management-System schlugen Designer Blockchain mit Hyperledger Fabric vor. Diese Software überwacht und trackt alle Teile des Arzneimittel-Auslieferungsprozesses. Sie kann mehrere World-State-Datenbanken konfigurieren, um aktuelle Werte zu halten. In der Pharmawelt angewendet, ermöglicht sie die präzise Rückverfolgung von Medikamenten – weltweit, an jedem Ort.

DSCMR-System: Blockchain + Machine Learning

Um gefälschte Medikamente zu bekämpfen, schlugen Forscher ein blockchain- und machine-learning-basiertes Drug Supply Chain Management and Recommendation System (DSCMR) vor. Wichtig: zwei komplementäre Komponenten zu unterscheiden:

• Drug-Management-System: Nutzer tracken Medikamente an jedem Schritt, tätigen Bestellungen, aktualisieren Aufträge u.v.m.
• Empfehlungssystem: Identifiziert das beste Medikament für pharmazeutische Kunden durch N-Gram- und LightGBM-Machine-Learning-Module.

Funktionen des Drug-Supply-Chain-Managements

Nutzer führen Transaktionen durch: Arzneimittelinformationen prüfen, Bestellungen tracken und verfolgen, Datensätze aktualisieren. Nutzer umfassen Patienten, Ärzte, Hersteller, Distributoren, Apotheken, Krankenhäuser. Nutzerdaten werden in der Blockchain gespeichert.

Jeder Nutzer erhält eine Web-Anwendung für Transaktionen, Kommunikation mit dem Blockchain-Netzwerk und Lieferstatus-Tracking. Zur Sicherheit müssen alle Nutzer Berechtigung erhalten, vollständige Arzneimitteldetails einzusehen. Sie loggen sich per Client-Applikation ein und führen ihre Transaktionen aus.

Für einen Transaktionsvorschlag stellen Nutzer eine Anfrage mit ihren Credentials. Wenn valide, geht die Anfrage an Peer-Nodes zur Prüfung und Genehmigung. Diese prüfen den Vorschlag und genehmigen, wenn Smart-Contract-Kriterien erfüllt sind. Sie validieren Transaktionsergebnisse und buchen sie ins Hauptbuch. Nach Abschluss aktualisiert das Hauptbuch alle Daten für alle sichtbar.

Drug-Empfehlungssystem

Ein öffentliches Review-Datenset basierend auf Nutzerbewertungen wurde erstellt, um das System zu trainieren und die effektivsten am Markt verfügbaren Medikamente vorherzusagen. Review-Daten umfassen Nebenwirkungen, Nutzen und Kundenkommentare aus der Client-Applikation.

Das Empfehlungssystem trainiert sich selbst über das N-Gram-Modell weiter, indem es neue Reviews erkennt und Ergebnisse entsprechend aktualisiert.

Smart Contracts: Sicherheit & Effizienz

Smart Contracts begrenzen die Anzahl der an einer Transaktion Beteiligten. Sie ermöglichen den Austausch von Informationen, Eigentum oder Geld ohne Drittpartei/Makler. Typischerweise bestehen sie aus Computercode, der die Vereinbarung durchsetzt.

Im vorgeschlagenen Netzwerk wurden Java und Node.js für Smart Contracts verwendet. Sie liegen im verteilten Hauptbuch der Blockchain – geschützt vor Manipulation oder Löschung.

Testergebnisse & Vorteile

Aus Tests des machine-learning-basierten DSCMR-Systems ergaben sich mehrere Erkenntnisse:

Im Drug-Management-System kommuniziert die Client-Applikation effektiv mit der Blockchain. Nach Validierung der Nutzeridentität durch Peer-Nodes können Transaktionen starten. Hersteller können Arzneimitteldetails in der Blockchain hinzufügen, aktualisieren oder löschen. Andere Teilnehmer – Ärzte, Krankenhäuser, Apotheken – können diese Einträge einsehen und bei Bedarf Änderungen vornehmen.

Der REST Server Composer unterstützt die Kommunikation zwischen Client-Applikation und Blockchain. Validierungsanfragen laufen über den Server und werden in der Blockchain gespeichert.

Im Drug-Empfehlungssystem wurden vier Indikationen getestet: Akne, Bluthochdruck, Angststörungen, Alkoholabhängigkeit. Über die Client-Applikation schlug das System präzise das beste Medikament für Kunden vor – sicher und transparent. Patienten konnten die Arzneimittelherkunft tracken, um Echtheit zu prüfen.

Vier Hauptvorteile des DSCMR-Systems gegen Arzneimittelfälschungen:

• Empfiehlt Top-bewertete, beste Medikamente für Kunden.
• Ermöglicht Patienten direkten Systemzugriff per Client-App, Ärzten per Credentials.
• Bietet Kunden sichere und transparente Erfahrung.
• Patienten können die gesamte Arzneimittelherkunft per Barcode-Scan prüfen.

Ob Ärzte, Apotheker, Krankenhäuser oder Hersteller – alle Beteiligten können das relevante Medikament entlang der Lieferkette tracken. Das verhindert das Eindringen gefälschter Medikamente und reduziert das Fälschungsproblem.

Daniel Browning ist Business Development Coordinator bei Do Supply Inc.