COMPASS MAGAZINE #10
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LIFE SCIENCES MENSCHEN SIMULIEREN: 3D-Modellierung eröffnet der medizinischen Forschung neue Wege

Medizinische Wissenschaftler nutzen vermehrt ausgefeilte Modellierungs- und Simulations­software, um riesige Vorräte biologischer Daten abzugleichen und zu verwenden sowie neue Einblicke in die komplexen Systeme und physiologischen Wechselwirkungen im menschlichen Körper zu gewinnen. Von der Modellierung von Knochen und Muskeln bis hin zur Nachahmung des Herzens oder Gehirns zeichnen sich bereits viele bahnbrechende neue Verfahren ab.

Modernste Modellierungs- und Simulationstechniken ermöglichen medizinischen Forschern heut­zutage, selbst von den komplexesten menschlichen Systemen, wie dem Herzen und dem Gehirn, Computermodelle zu erschaffen. Mittels mathematischer Algorithmen, Patientendaten und simulationsgestützter vorausschauender Berechnungs­methoden können Forscher die kompli­z­iertesten Untersysteme menschlicher Organe und Systeme simulieren, voraus­berechnen und verstehen, wodurch sich neue Chancen für die Entwicklung ver­besserter Behandlungsansätze bieten.

KOMPLEXITÄT BEZWINGEN

Niemand ist angesichts dieser Fortschritte mehr erstaunt als Dr. Julius Guccione, Professor und Forscher für Herz- und Thoraxchirurgie an der School of Medicine der University of California in San Francisco (USA), der anfangs glaubte, dass viele Systeme des menschlichen Körpers einfach zu komplex seien, um sie modellieren zu können. Zwar wurde bei orthopädischen Operationen, wie Knie- und Hüftgelenk­ersatz, häufig auf Simulationstechnik und Biomechanik zurückgegriffen, aber Knochen sind schließlich auch Körperteile, die technischen Bauteilen stark ähneln. Menschliche Organe, so glaubte er, stellten eine viel zu große Herausforderung dar.

„Modellierungs- und Simulationstechnologie wurde zwar in der Entwicklung von Autos und Flugzeugen sehr erfolgreich einge­setzt, aber für viele von uns war das Herz eine ganz andere Größenordnung und viel komplizierter aufgebaut als jede technische Konstruktion“, sagt Guccione. „Aber als ich mit eigenen Augen die Komplexität der mathematischen Modelle sah, die in den anderen Industriezweigen benutzt wurden, musste ich meine Meinung ändern. Die Detailgenauigkeit und Größe der Modelle sowie die benötigte Berech­nungszeit sind höchst beeindruckend.“

„FÜR EINEN FESTKÖRPER SIND SOLCH AUSSERGEWÖHNLICHE MATERIALEIGENSCHAFTEN UNGEWÖHNLICH.”

DR. JULIUS GUCCIONE PROFESSOR UND FORSCHER FÜR HERZ- UND THORAXCHIRURGIE, UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SAN FRANCISCO, SCHOOL OF MEDICINE, IN EINER AUSFÜHRUNG ÜBER DAS MENSCHLICHE HERZ

Herzfasern unterliegen laut Guccione extremen Verformungen mit einer mindestens 20%igen Dehnung und Kontraktion während eines Herzzyklus. „Im Gegensatz zur Modellierung von menschlichem Knochen, bei dem jegliche Deformation schwer zu erkennen ist, liegt hier ein nichtlineares Problem vor“, sagt er. „Für einen Festkörper sind solch außergewöhnliche Materialeigenschaften ungewöhnlich.“

Doch heute nutzen Guccione und seine Kollegen mathematische Modellierungs- und Simulationstechnologien, um die Sicherheit und Wirksamkeit einer Biopolymer- Injektion zu testen, die das menschliche Herz bei einer Herzinsuffizienz verstärken und stabilisieren soll. Mittels dieser Techniken können die Forscher die Mechnismen jedes einzelnen Herzens nachvollziehen, und so präzise ermitteln, welche Gelmenge an welcher Stelle zu injizieren ist, um für jeden einzelnen Patienten den bestmöglichen Effekt zu erzielen.

GLAUBWÜRDIGKEIT GEWINNEN

Ein weiterer wichtiger Faktor für die Anwendung von Modellierungs- und Simulationstechnologien in der Medizin ist die behördliche Zulassung. Nach Aussage von Dawn Bardot, Senior Program Manager für Modellierung und Simulation beim Medical Device Innovation Consortium (MDIC), einer öffentlich-privaten Partner­schaft zur Förderung der medizintechnischen Regulierungswissenschaft, nutzen Medizin­technikhersteller die Modellierung und Simulation in großem Maße, um verschiedene Gerätevarianten zu vergleichen und Ausfälle im Praxiseinsatz zu untersuchen. Aber sie haben bisher noch nicht die Glaubwürdigkeit er­rungen, die Regulierungsbehörden für Entscheidungen über Sicherheit und Wirksamkeit verlangen.

Laut MDIC bedarf es bei der Entwicklung von Modellierungs- und Simulations­technologien, die die Zustimmung der Regulierungsbehörden erhalten, neuer Herangehensweisen und gemeinsamer Anstrengungen, um die komplexen Ein­gangswerte, wie Materialeigenschaften, menschliche Anatomie, physiologische Bedingungen und Krankheitsstadien, besser zu verstehen. Parallel dazu konzentrieren sich Forscher wie das Team um Guccione auf die Entwicklung von Modellen auf Systemebene.

„Wir haben noch keinen guten Überblick über die Variabilität des menschlichen Körpers und seiner anatomischen, physiologischen oder stofflichen Eigen­schaften“, sagt Bardot. „Aber wenn wir über Modelle und Simulationen auf Systemebene verfügen, können wir Laborstudien, die nur ansatzweise versuchen, etwas Menschliches darzustellen, hinter uns lassen, Tierversuche abschaffen und die Anzahl klinischer Studien sowie der daran beteiligten Patienten reduzieren.“

GUTE AUSSICHTEN

Forscher wie Guccione und seine Kollegen seien auf dem besten Wege, die biologischen Pfade und Systeme besser zu verstehen, die die komplizierten Systeme des men­sch­­lichen Körpers miteinander verbinden und steuern, sagt Dr. Alan Louie, For­sch­ungsdirektor bei IDC Health Insights in Framingham, Massachusetts (USA). „Was das Wissen über die Interaktionen der verschiedenen biologischen Pfade, Systeme und Organe des Körpers angeht, stehen wir noch ganz am Anfang – denn sie sind völlig anders als die physischen Systeme, wie Knochen und Skelett­muskulatur“, sagt Louie. „Aber wir sind allmählich in der Lage, einige dieser Modelle zu simulieren.“

Die Forschung befindet sich noch in den Kinderschuhen. „Ein Modell in ein computer­gestütztes System umzuwandeln, basiert größtenteils auf ‘linearem’ Denken, jedoch lassen sich einige dieser komplexen Systeme mit linearem Denken nicht erklären“, sagt Louie. „Die richtigen Teile zusammenzufügen, ist schwierig.“

Nach seiner Einschätzung entstünden derzeit viele neue Tools, die das Potenzial haben, auf diesem Gebiet von Nutzen zu sein. Ein bekanntes Beispiel ist Watson, der Supercomputer von IBM, der Aufsehen erregte, weil er den besten Teilnehmer der US-amerikanischen Quizsendung „Jeopardy“ besiegt hatte. „Anhand seines Wissens­schatzes trifft Watson Entscheidungen und wendet diese auf verfügbare Datensätze an“, erklärt Louie.

Watson hilft Forschern dabei, Gesund­heitsdaten, einschließlich elektronischer Krankenakten, mit genomischen Erkenntnissen, biologischen Populationsdaten, Aussagen in sozialen Medien über die Wirksamkeit von Medikamenten sowie mit anderen medizinisch relevanten Daten aus diversen Quellen zu überlagern. Danach filtert Watson diese Eingangswerte und erkennt Gemeinsamkeiten.

„Die Simulation menschlicher Systeme wird kommen“, sagt Louie. „Sie beruht auf Systemen, die riesige Mengen unterschiedlichster und weit verstreuter Daten miteinander verknüpfen können, nichtlineares Denken beherrschen und die immense Komplexität bewältigen. Aber die Fähigkeit, all diese Interaktionen zu visualisieren, wird ungeahnte Möglichkeiten eröffnen.“

von Lisa Rivard Zurück zum Seitenbeginn