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angle-left Der virtuelle Patient
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Der virtuelle Patient

STZ, November 2022 - Für jeden Patienten eine massgeschneiderte Therapie. Davon träumen Ärzte und Wissenschaftler seit Jahrhunderten. Die Präzisionsmedizin könnte diesen Traum eines Tages Wirklichkeit werden lassen. Zentrales Element dieser personalisierten Medizin: ein digitaler Zwilling des Patienten.

Dreimal täglich einen Teelöffel. So oder so ähnlich lesen sich nicht selten die Dosierungsempfehlungen in den Packungsbeilagen von Medikamenten. Doch für wen genau gelten die eigentlich? Grosse oder kleine Menschen, Männer oder Frauen, Alte oder Junge? Nicht alle Menschen sind gleich, und die Unterschiede gehen viel weiter als Grösse, Geschlecht oder Alter. Für die Wirksamkeit medizinischer Behandlungen spielen auch andere, weitaus schwerer zu bestimmende Faktoren eine Rolle: genetische Disposition, Lebenswandel, Vorgeschichte – die Liste ist lang. Entsprechend gemischt sind auch die Resultate standardisierter Therapien. Auswertungen der US amerikanischen Arzneimittel-Kontrollbehörde FDA (Food and Drug Administration) ergaben beispielsweise, dass in den USA 70 Prozent der medikamentösen Behandlungen von Alzheimer-Patienten erfolglos verlaufen. Bei Arthritis ist es die Hälfte, bei Herzrhythmusstörungen 40 Prozent.

Ein Missstand, den die personalisierte Medizin zu Leibe rücken möchte. «Die Präzisionsmedizin hat zum Ziel, Patientinnen und Patienten die richtige Therapie zur richtigen Zeit zu ermöglichen; sie stellt die Medizin der Zukunft dar», erklärte Mark A. Rubin, Leiter des Bern Center for Precision Medicine, anlässlich der Gründung des Zentrums vor dreieinhalb Jahren. Neue Methoden und Biomarker liessen in den letzten Jahren die Realisierung des Traums von der optimalen Behandlung jedes einzelnen Patienten näher rücken, vor allem bei der Behandlung von Krebspatienten.

Patienten und Behandlung im Computer simulieren

Ein Quantensprung in der personalisierten Medizin versprechen sich die Experten jedoch von der Möglichkeit, die Behandlung eines Menschen vorab im Computer zu simulieren – an einem digitalen Zwilling des betroffenen
Patienten. «Stellen Sie sich vor, wir hätten in Zukunft einen Patienten mit all seinen Organfunktionen, all seinen Zellfunktionen und könnten diese Komplexität simulieren», erklärt Benjamin Meder, Kardiologe am Universitätsklinikum Heidelberg. «Wir könnten Wochen oder Monate im Voraus vorhersagen, welche Patienten krank werden, wie ein bestimmter Patient auf eine bestimmte Therapie reagieren wird, welche Patienten am meisten profitieren werden. Das könnte die Medizin revolutionieren.»

Meder und seine Kollegen testen einen digitalen Zwilling eines menschlichen Herzens, den die Medizintechniksparte von Siemens entwickelt hat. Basierend auf Magnetresonanzaufnahmen und EKG-Messungen gleicht das virtuelle Herz in seinen physiologischen Eigenschaften dem Herz eines realen Patienten. Das Modell ermöglicht laut Siemens eine digitale Planung, die Reaktionen des Organs auf die Behandlung noch vor einem Eingriff zeigt. Dafür entwickelt das Unternehmen Algorithmen, die aus den enormen Datenmengen digitale Organabbilder erzeugen.

«Stellen Sie sich vor, wir könnten einen Patienten mit all seinen Organfunktionen, all seinen Zellfunktionen simulieren. Das könnte die Medizin revolutionieren.»

Benjamin Meder, Universitätsklinikum Heidelberg

Empa forscht an digitalem Haut-Double

Auch in der Schweiz wird an den digitalen Doppelgängern des Menschen geforscht. Forscher der Empa beispielsweise entwickeln einen digitalen Zwilling der menschlichen Haut. Dieser soll eine zielgenauere Behandlung von Schmerzpatienten und Diabetikern ermöglichen. Ziel ist es, Medikamente wie Schmerzmittel und Insulin über intelligente Fasern und Membranen über die Haut in den Körper zu bringen, während Sensoren gleichzeitig die Vitalparameter des Patienten messen. Anhand der Daten trifft der digitale Zwilling Vorhersagen zur individuellen Dosierung und kontrolliert den Therapieerfolg. Das System aus intelligenten Pflastern und Echtzeitsimulationen sei ein Schritt in einen noch wenig erforschten Bereich mit enormem Potenzial, meint Empa-Forscher Thijs Defraeye. Gleichzeitig komme man mit dem personalisierten «Digital Twin» für die transdermale Medikamentenabgabe dem menschlichen Avatar ein Stück näher.

So nähern sich Mediziner und IT-Experten dem Ziel eines umfassenden digitalen menschlichen Zwillings langsam an – Organ für Organ, Schritt für Schritt. Doch der Weg ist weit. Sehr weit, denn der Mensch ist ungeheuer komplex. Viel komplexer als eine Maschine, eine Fabrik oder ein Gebäude.

Kompletter Zwilling ist noch Zukunftsmusik

Soll eines Tages der Mensch in Gänze ein virtuelles Double erhalten, so muss auch sein Gehirn simuliert werden – eine Mammutaufgabe, mit der sich an der Berliner Charité Petra Ritter befasst. Die Neurowissenschaftlerin leitet das Projekt eBRAIN-health, in dem Forscher unterschiedliche Informationen zusammentragen, darunter Daten aus PET- und MRT-Scans, EEG-Tests, Verhaltensstudien und Lebensstilumfragen sowie klinische Daten von Tausenden von Patienten und gesunden Kontrollpersonen. Diese werden mit biologischen Informationen aus Wissensdatenbanken kombiniert und für Forschungszwecke zur Verfügung gestellt. Die so entstehenden digitalen Gehirnzwillinge sollen zu einem besseren Verständnis der Gehirnfunktionen und -störungen führen.

Neurowissenschaftlerin Ritter glaubt, dass noch einige Zeit vergehen dürfte, bis jeder seinen digitalen Zwilling bekommt. «Wir können digitale Zwillinge von Gehirnen konstruieren und auch simulieren, aber keine exakten Kopien des Gehirns. Dazu ist das Gehirn viel zu komplex», erklärte sie dem Radiosender «Deutschlandfunk». Eine Einschätzung, die auch Empa-Forscher Defraye teilt: «In der Medizin träumt man von kompletten Insilico- Doppelgängern, die vorhersagen, wie ein Mensch altert oder wie sich ein künstliches Gelenk im Körper abnutzt», sagt Defraeye. Doch die Realität sei noch nicht so weit.

 

Autor: Hendrik Thielemann
Bildquellen: Shutterstock
Artikel aus der STZ: Ausgabe November 2022

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