Digital Twins für personalisierte Medizin

Der simulierte Patient

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von Andrea Six, Empa

Wo herkömmliche Therapien ungenau sind, wären digitale Zwillinge eine Lösung: Sie könnten eine präzise, vorausschauende Dosierung ermöglichen und so die Schmerzbehandlung verbessern. Empa-Forschende haben nun Hunderte solcher Avatare auf Basis von realen Menschen modelliert und experimentell behandelt.

Datenforscher: Thijs Defraeye vom "Biomimetic Membranes and Textiles" Labor der Empa in St. Gallen erzeugt digitale Zwillinge auf der Basis von komplexen mathematischen Modellen. (Source: Empa)
Datenforscher: Thijs Defraeye vom "Biomimetic Membranes and Textiles" Labor der Empa in St. Gallen erzeugt digitale Zwillinge auf der Basis von komplexen mathematischen Modellen. (Source: Empa)

Die enormen Fortschritte in der modernen Medizin erlauben uns, Patientinnen und Patienten selbst während schwerer Erkrankungen eine verbesserte Lebensqualität zu ermöglichen. Mit synthetischen Opiaten beispielsweise lassen sich selbst starke Schmerzen während einer Krebserkrankung kontrollieren. Die exakte Dosierung stellt allerdings noch immer eine Herausforderung dar. Die Schmerzmittel, etwa Fentanyl, müssen präzise verabreicht werden, damit sie wirksam sind, ohne den Betroffenen mit teils lebensgefährlichen Nebenwirkungen zu schaden.

 

Derzeit werden derartige Schmerzmittel unter anderem durch ein Medikamentenpflaster über die Haut verabreicht – eine schonende Methode, die dabei hilft, den Patienten die Rückkehr in den Alltag zu ermöglichen. Allerdings lässt sich die passende Dosierung lediglich ausprobieren. So sind die Reaktionen auf eine Unter- oder Überdosierung immer erst im Nachhinein feststellbar, wenn das Medikament das Pflaster längst verlassen hat.

 

Das soll nun anders werden: Damit die Schmerzmitteldosierung im Sinne einer personalisierten Medizin für jeden einzelnen Patienten ermittelt und konstant gehalten werden kann, nutzen Empa-Forschende zusammen mit einem Team der Universität Bern das innovative Forschungsfeld der Computer- und Datenwissenschaften. Das Team um Thijs Defraeye vom "Biomimetic Membranes and Textiles"-Labor der Empa in St. Gallen entwickelt mit multiphysikalischen Modellierungen einen digitalen Zwilling des menschlichen Körpers, der die Steuerung und Vorhersage des Therapieverlaufs erlaubt.

 

Schmerzmittel in einem Pflaster gelangen über die Haut in den Körper. Je nach Alter, Geschlecht und körperlicher Verfassung ist die Wirksamkeit jedoch unterschiedlich. Mithilfe des digitalen Zwillings und der Erfolgskontrolle des menschlichen Patienten kann die Behandlung in Echtzeit optimiert werden. (Source: Empa)

 

In den mathematischen Modellen, auf denen der komplexe digitale Doppelgänger basiert, haben die Forschenden eine Vielzahl von Variablen von realen Menschen wie etwa Alter und Lebensstil berücksichtigt. Denn die Wirkung eines Medikaments wird von einer Fülle an körperlichen Parametern beeinflusst, die individuell sehr unterschiedlich sein können. "Wir berücksichtigen bei der Erstellung eines Avatars beispielsweise, wie das Medikament bei der Behandlung im lebenden Körper verstoffwechselt wird und wie viel letztlich im Schmerzzentrum im Gehirn des Menschen eintrifft", erklärt Empa-Forscher Defraeye.

 

Damit die Dosierung aber nicht nur sicher ist, sondern auch den gewünschten Effekt erzielt, kann der In-silico-Zwilling zudem physiologische und psychologische Rückmeldungen von realen Patienten erhalten. Hierzu gibt der Mensch beispielsweise Auskunft, ob und in welcher Intensität er den Schmerz weiterhin wahrnimmt.

 

Von besonderem Interesse ist hierbei die Länge der schmerzfreien Zeit. Und weil nicht jeder Tag ein guter Tag ist, und das Leben voll von unvorhergesehenen Ereignissen, variiert auch die effektive Schmerzempfindung der Betroffenen viel stärker, als dass ein Arztbesuch alle zwei Wochen darauf eingehen könnte. "Mit diesem Feedback des Menschen kann der Avatar die Therapie dynamisch anpassen und den Verlauf sogar vorhersagen", sagt Empa-Forscherin Flora Bahrami. Künftig sollen Sensoren auch weitere physiologische Parameter wie Herzschlag oder Atmungsfrequenz in Echtzeit messen und an den Avatar zurückmelden.

 

Bereits mehrere Hundert Avatare behandelt

In Testphasen wurden bisher mehrere Hundert derartig personalisierte Avatare geschaffen und individuelle Therapieabläufen gemeinsam mit dem Kantonsspital St. Gallen virtuell getestet. "Wir konnten bereits zeigen, dass sich die optimalen Behandlungsprogramme für Frauen und Männer sowie für jüngere und ältere Menschen deutlich voneinander unterscheiden", sagt Bahrami.

 

Die Schmerztherapie durch transdermal wirkende Pflaster ist hierbei erst der Anfang der Avatar-assistierten Behandlung: In Zusammenarbeit mit Kliniken und Spitälern wollen die Empa-Forschenden nun weitere Therapien wie die Insulingabe bei Diabetes durch digitale Zwillinge optimieren.

 

Empa-Forscherin Seraina Schudel und der "Fruchtspion": Reale biophysikalische Zwillinge mit Sensoren hier in Form von künstlichem Obst liefern Daten für die Entwicklung von digitalen Zwillingen in der Lebensmittelforschung. (Source: Empa)

 

Digitalisierung kann nicht nur in der Medizin grosse Fortschritte ermöglichen, sondern auch in anderen Bereichen – etwa in der Lebensmittel-Technologie. Erst kürzlich wurde das Empa-Team um Thijs Defraeye mit einem Preis der "Inclusive Growth and Recovery Challenge" von data.org ausgezeichnet. Die hochdotierte Auszeichnung wird von der "Rockefeller Foundation", und dem "Mastercard Center for Inclusive Growth" gestiftet. Ziel des gemeinsamen Projekts mit der Stiftung BASE ("Basel Agency for Sustainable Energy"): Über Computermodelle und mobile Apps eine nachhaltige Landwirtschaft fördern und die ökologische und ökonomische Situation für landwirtschaftliche Kleinbetriebe in Entwicklungsländern verbessern.

 

Digitalisierung gegen Food-Waste

Entscheidend ist hier die Datenverarbeitung und -modellierung von Parametern aus der Landwirtschaft, Technik und den aktuellen ökonomischen Gegebenheiten, um Kleinbetriebe in Echtzeit zu einem vorausschauenden Umgang mit ihren Produkten zu befähigen. Denn derzeit müssen in Entwicklungsländern bis zu 60 Prozent der Ernten derartiger Betriebe entsorgt werden, da Früchte und Gemüse verderben, bevor sie den Markt erreicht haben.

 

Diesem immensen Food-Waste wollen die Forschenden entgegentreten. "Am Ende dieser Technologieentwicklung soll eine Anwendung für Mobiltelefone stehen, die einen nachhaltigen Umgang mit den Ressourcen während der Lagerung, Kühlung und dem Verkauf der Ware unterstützt", sagt Empa-Forscherin Seraina Schudel. Das Grossprojekt stellt für die Empa-Forschenden auch eine exzellente Grundlage dar, um das Gebiet der Computer- und Datenwissenschaften und besonders der digitalen Zwillinge für diverse Anwendungen weiterzuentwickeln.

 

Digitale Zwillinge können in verschiedenen Gebieten eingesetzt werden. Empa-Forschende haben beispielsweise einen Avatar einer Mango entwickelt. (Source: Unsplash / Illustration: Empa)

 

Dieser Beitrag ist zuerst auf der Website der Empa erschienen.

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