Heilen mit den Crash Test Dummies

16. Januar 2019

Digitale Zwillinge sollen die Medizin verändern: Bevor der Arzt ein Medikament verschreibt, kann er die Wirksamkeit von Therapien an einem virtuellen Abbild des Patienten testen. Lassen sich so bald unnötige Behandlungen und Nebenwirkungen vermeiden?

Digitale 1:1-Kopien von Organen sind heute schon verfügbar und sollen dabei helfen, Vorhersagen über Therapieverläufe zu treffen. Der Kardiologe Prof. Dr. Benjamin Meder von der Uniklinik Heidelberg arbeitet an der Erschaffung digitaler Zwillinge von Patienten-Herzen, die mit einer annähernd identischen Anzahl von Zellen die komplexen Abläufe im Innern wiedergeben. Binnen weniger Minuten generiert ein Computer mit selbstlernender Software aus MRT-Daten und unter Zuhilfenahme bestehenden anatomischen Wissens ein individuelles Modell des Herzens, in dem Blutströme, elektrische Impulse, Bewegungen und Druckverhältnisse akkurat dargestellt werden. Auch genetische Faktoren werden einbezogen, da sich bei Menschen mit Herzschwäche häufig Mutationen in elastischen Elementen finden. Solch ein Modell erlaubt beispielweise eine Simulation der Folgen von Herzrhythmusstörungen oder des Einsetzens eines Herzschrittmachers bei den Patienten.

Digitaler Zwilling Herz

„Digitaler Zwilling” eines an Herzschwäche erkrankten Patienten. Dargestellt ist die simulierte Kontraktionskraft des Herzmuskels in den verschiedenen Kammern: niedrige Kontraktionskraft in blau und hohe in rot; Nicht kontraktiles Gewebe ist grau eingefärbt. © B. Meder

Meder nennt als konkretes Anwendungsbeispiel die Kardiale Resynchronisationstherapie (CRT) bei Menschen mit chronischer Herzpumpenschwäche: „Das Einsetzen eines CRT-Schrittmachers ist für den Patienten ein belastender Eingriff. Ein Problem ist, dass etwa 30 Prozent der Patienten davon keinen Nutzen, sondern eher einen Schaden haben, und dafür gibt es bisher keine klinische Vorhersagemöglichkeit. Mit Hilfe der Simulationen an virtuellen Patienten-Herzen kann die akute Antwort auf diesen Schrittmacher direkt nach der Implantation und seine erforderliche Programmierung bereits nahezu perfekt vorhergesagt werden.“ Da es Wochen bis Monate braucht, bis sich so ein Schrittmacher im Körper etabliert hat, arbeitet er daran, auch langfristig zuverlässige Vorhersagen treffen zu können.

Meder ist vom Nutzen digitaler Zwillinge überzeugt: „Die bildgebenden Verfahren werden immer besser, sodass wir in fünf bis zehn Jahren Zellverbände des Herzens auflösen werden können. Über annahmefreie maschinelle Lernverfahren wird das Verständnis für Herzerkrankungen deutlich zunehmen und sich für manche Erkrankungen vielleicht auch komplett ändern.“

Ein digitaler Zwilling für jeden Menschen?

Experten der Digitalbranche preschen ebenfalls voran. William Ruh, CEO der Digital GE ist der Meinung: „Ich glaube, wir werden schon bei der Geburt einen digitalen Zwilling haben. Dieser wird Daten von allen Untersuchungen und von den Sensoren, die wir bei uns tragen erhalten. Dieser digitale Zwilling wird für uns Vorhersagen über Krankheiten und Krebs treffen. Ich glaube, dass sich die medizinische Versorgung ganz um diesen digitalen Zwilling drehen wird. Ohne diesen digitalen Zwilling werden wir nur Daten haben – aber keinen Mehrwert.“

Um ein virtuelles menschliches Abbild zu erstellen, werden riesige Datenmengen benötigt, Schätzungen zufolge etwa 100 Zettabyte, das sind unvorstellbare 100 x 1021 Byte. Zum Vergleich: der digitale Zwilling einer Flugzeugturbine umfasst etwa 100 Terabyte, also 100 x 1012 Byte. Man würde den digitalen Zwilling mit Laborwerten, Befunden der bildgebenden Diagnostik und dem Genom des betreffenden Menschen füttern. Auch der Patient kann zum stetigen Sammeln von aktuellen Daten durch mobile Geräte beitragen: Für Smartphones und -watches gibt es viele Gesundheitsapps, deren Daten nutzbar wären, z.B. für das Management von Erkrankungen wie Diabetes oder zur Überwachung der Herzfunktion.

Medizinische Wearables für die automatische Datensammlung

Die Weiterentwicklung von medizinischen Wearables schreitet besonders in den USA stark voran. Im Sommer wurden erste Smartwatches vorgestellt, die ihren Trägern neben Aktivitäts-, Positions- und Pulsmessungen eine einfache EKG-Funktion bieten, die sie vor Herzrhythmusstörungen und Vorhofflimmern warnt. Aber es geht weiter: Vor kurzem wurde die Entwicklung einer elektronischen Pille bekannt gegeben, die mit Wirkstoff beladen werden kann. Sie entfaltet im Magen zwei Arme, die dafür sorgen, dass sie dort für einige Wochen verbleibt. In dieser Zeit kann sie über Sensoren Informationen in ihrer Umgebung messen, wie Temperatur, Herzfrequenz oder Bewegungen des Magens. Die Informationen werden drahtlos an ein Endgerät in einer Entfernung von etwa einer Armlänge übertragen. Der Wirkstoff befindet sich in vier Kammern eines der Arme und wird nach und nach abgegeben. Die Forscher arbeiten daran, dass die Abgabe auch nach Bedarf gezielt über Bluetooth-Kommunikation erfolgen kann. Nach etwa einem Monat zersetzen sich die Arme, und die Pille wird ausgeschieden.

Für die Entwicklung von menschlichen digitalen Zwillingen sind Diabetiker als Zielgruppe besonders interessant. Denn auch für die stetige Blutzuckerkontrolle stehen Systeme bereit. Während die Sensoren bei den ersten Produkten noch im Unterhautgewebe sitzen und kalibriert werden müssen, sind auch völlig nicht-invasive Systeme in der Entwicklung: Wissenschaftler der Universität Bath präsentierten in diesem Jahr ein Pflaster, das nur auf die Haut aufgeklebt wird und dessen Miniatur-Sensoren Glukose aus der Flüssigkeit um einzelne Haarfollikel saugen.

Sevilay Huesman-Koecke, Senior Managerin und Head of Business Development im Bereich Gesundheitswirtschaft der Wirtschaftsprüfungsgesellschaft PricewaterhouseCoopers (PwC) GmbH , meint: „Diabetes-Patienten können ihre Blutzuckerwerte zum Beispiel über ein intelligentes Pflaster regelmäßig erheben und in Echtzeit an ihren Arzt übermitteln. Im Modell lässt sich simulieren, wie die Behandlung mit Insulin oder Tabletten auf den Körper wirkt – im Zusammenspiel mit Bewegung und Ernährung. Die Computersimulation kann Diagnostik und Behandlung sinnvoll ergänzen und den Arzt in seiner Therapieentscheidung unterstützen.“

Die Bevölkerung steht ihrem digitalen Zwilling positiv gegenüber

PwC hat Ende Oktober Ergebnisse einer bundesweiten Online-Befragung mit 1000 erwachsenen Teilnehmern die Haltung der deutschen Bevölkerung zu einem digitalen Zwilling veröffentlicht. Dabei setzten sie zusätzlich einen Schwerpunkt auf Diabetiker, von denen sie 203 befragten. Gut ein Viertel der Umfrage-Teilnehmer hatte schon einmal von einem digitalen Zwilling gehört, allerdings wusste nur ein Prozent von ihnen, worum es sich dabei wirklich handelt. Nachdem sie Erläuterungen erhalten hatten, hielten gut 70 Prozent von ihnen einen digitalen Zwilling für eher sinnvoll oder sehr sinnvoll. Sie erhoffen sich davon vor allem bessere Diagnosen und Therapien (jeweils ≥ 80 %) und dass unnötige Operationen vermieden werden können (80-82 %). Etwa 80 Prozent der Befragten befürchteten allerdings auch, dass Daten in die falschen Hände geraten könnten, technische Fehler auftreten oder dass man sich durch einen digitalen Zwilling eher an Daten als am Menschen orientieren wird.

Während 15-17 Prozent der Befragten angaben, dass sie keinesfalls einen digitalen Zwilling von sich herstellen lassen würden, zogen etwa 40 Prozent dies im Falle einer chronischen oder seltenen Erkrankung in Erwägung.

Von den befragten Diabetikern erwarteten etwa 40 Prozent, dass ein digitaler Zwilling ihnen helfen könnte, Folgeschäden zu minimieren, Über- und Unterzuckerungen zu vermeiden und eine optimale Medikamenteneinstellung zu erzielen.

Viel Arbeit für Datenschützer und Gesundheitspolitiker

Bevor digitale Zwillinge klinische Wirklichkeit werden, sind neben der technischen Umsetzung noch viele offene Fragen zu klären. Dies betrifft nicht nur die Qualität der gesammelten Daten und die Prüfung, ob diese standardisierbar und validierbar sind, sondern auch den Datenschutz, die Klärung, wem die Daten in welcher Form zur Verfügung stehen und große ethische Herausforderungen. Beispielsweise könnten die verfügbaren Informationen dazu führen, dass Unterschiede zwischen einzelnen Personen deutlicher sichtbar werden und damit die Gefahr der Diskriminierung bergen. Weiter könnte die Frage, für wen und in welchem Umfang ein digitaler Zwilling angefertigt wird, die Chancengleichheit gefährden. Erste Denkansätze gehen auch dahin, dass fehlerhafte oder unvorteilhafte Eigenschaften gezielt verändert werden könnten. Jüngst wurden Ergebnisse des US-amerikanischen BabySeq-Projekts veröffentlicht, in dem das Genom von 128 gesunden und 31 kranken Neugeborenen sequenziert wurde. Von diesen hatten 9,4 Prozent eine genetische Variante mit einem erhöhten Risiko für bestimmte Erkrankungen, beispielsweise des Herz-Kreislauf-Systems. Bei einigen könnte ein Eingriff in der Kindheit Nachteile im späteren Leben unter Umständen verhindern. Die Kenntnis darüber führt aber zu größerer Besorgnis und familiärem Stress, wenn z.B. regelmäßige Vorsorgeuntersuchungen wahrgenommen werden für eine Krankheit, die möglicherweise gar nicht ausbrechen wird. Bisher ist man sich nicht sicher, was höher bewertet werden soll: Das Recht „es nicht zu wissen“ und dadurch unbeschwert zu leben oder die Möglichkeit, eventuell Leben zu retten oder zu verlängern. 

Der Run auf die Daten jedes einzelnen hat auch in der Medizin längst begonnen. Prof. Dr. Michael Forsting, Leiter des Instituts für Diagnostische und Interventionelle Radiologie und Neuroradiologie am Universitätsklinikum Essen und Spezialist für maschinelles Lernen fasst dies treffend zusammen: „Daten sind das Öl der Neuzeit.“

40 Wertungen (4.6 ø)

1 Kommentar:

Nichtmedizinische Berufe

Digitaler Zwilling im Bedarfsfall wie bei den Beispielen – sehr gut, Pflicht zum digitalen Zwilling ab Geburt , wobei diese Daten dann auch allerhand Begehrlichkeiten wecken würden, von den Versicherungen über die Verbeamtung zu Big Pharma- nein, nicht gut.

Der dystopische Roman von Julie Zeh über eine Gesundheitsdiktatur “Corpus Delicti” lässt grüßen.

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