ºÚÁϸ£ÀûÍø

Hoewel hun onderzoek zich richt op zeer verschillende organen – de wervelkolom en het hart – delen zij hetzelfde doel: beter begrijpen hoe het menselijk lichaam functioneert, hoe aandoeningen ontstaan en welke behandeling het meest effectief is, met behulp van datagedreven digitale tweelingen.
De digitale tweelingen van de toekomst worden gevoed met gegevens uit beeldvorming, klinische onderzoeken en de persoonlijke medische voorgeschiedenis van patiënten. Ondersteund door kunstmatige intelligentie kunnen artsen aandoeningen eerder herkennen en behandelingen beter afstemmen op het individu. Daarnaast bieden digitale tweelingen nieuwe mogelijkheden om de onderliggende mechanismen van ziekteprocessen te ontrafelen.

Medisch speurwerk naar scoliose

Voor Keita Ito, hoogleraar Orthopaedic Biomechanics, begint de fascinatie bij een hardnekkig medisch raadsel: waarom ontwikkelt een deel van de gezonde kinderen – voornamelijk meisjes – tijdens de groeispurt een verkromming van de wervelkolom?

Adolescente idiopathische scoliose bestaat al duizenden jaren, en nog steeds weten we niet wat de oorzaak is, zegt hij.

Omdat de aandoening ontstaat tijdens de groei, is het verzamelen van patiëntgegevens, zoals beeldvorming of weefselmateriaal, ethisch en praktisch uitdagend. Daarom ontwikkelt Ito's onderzoeksgroep digitale tweelingen van de wervelkolom op basis van MRI- en echografische gegevens om de ontwikkeling van de aandoening te bestuderen.

Deze biomechanische modellen maken het mogelijk om houding, belasting en wervelkolomgroei te simuleren en subtiele veranderingen zichtbaar te maken lang voordat deze klinisch waarneembaar zijn. Het gaat daarbij niet om een fictieve kopie van een patiënt, maar om een wetenschappelijk instrument waarmee onderzoekers en clinici ziekteprogressie kunnen analyseren in een levende, groeiende wervelkolom.

Voorspellen van hartritmestoornissen

Het onderzoek van promovenda richt zich eveneens op processen diep in het lichaam, maar dan in een ander vitaal orgaan: het hart. Zij onderzoekt ventriculaire tachycardie (VT), een potentieel levensbedreigende hartritmestoornis die zich jaren na een myocardinfarct kan ontwikkelen.
Net als de digitale wervelkolommodellen van Ito worden de cardiale digitale tweelingen van Buck opgebouwd op basis van patiëntspecifieke gegevens, waaronder elektrocardiogrammen (ECG's), laboratoriumwaarden en klinische rapportages.

We proberen vast te stellen welke patiënten daadwerkelijk risico lopen, legt zij uit. Momenteel gebruiken artsen onder meer de linkerventrikelejectiefractie om in te schatten wie VT kan ontwikkelen. Dat is een bruikbare, maar niet perfecte voorspeller. Met een digitale tweeling kunnen we het elektrische en mechanische gedrag van het hart simuleren en mogelijk inzicht krijgen in hoe verschillende omstandigheden ritmestoornissen uitlokken, nog voordat deze zich voordoen.

Prototypes en uitdagingen

Samen illustreren deze toepassingen de brede potentie van digitale tweelingen binnen de geneeskunde. Ze combineren individuele patiëntgegevens met resultaten uit klinische studies, fysicagebaseerde modellen en machine-learningtechnieken tot dynamische, voorspellende systemen die zich parallel ontwikkelen met hun biologische tegenhanger.

In het laboratorium van Ito beweegt een digitale tweeling van de wervelkolom mee met virtuele spieren, ligamenten en andere musculoskeletale structuren. Daarmee kunnen hypothesen over biomechanische functie, houding en groei worden onderzocht.

Binnen het -project werken onderzoekers van de ºÚÁϸ£ÀûÍø, Philips en het Catharina Ziekenhuis gezamenlijk aan de ontwikkeling van een cardiale digitale tweeling die de elektrische geleidingsroutes in kaart brengt die betrokken zijn bij ventriculaire tachycardie. Daarnaast analyseert het consortium klinische patiëntdata om te onderzoeken of de voorspellende waarde van huidige risicomodellen kan worden verbeterd.

Tegelijkertijd brengen digitale tweelingen nieuwe uitdagingen met zich mee op het gebied van data, ethiek en klinische implementatie.

Ziekenhuizen zijn niet ingericht voor populatieonderzoek, zegt Buck. Hun primaire taak is patiëntenzorg. De beschikbare data zijn verzameld voor klinische doeleinden en niet voor het trainen van voorspellende modellen. Daarom besteden we veel tijd aan het verzamelen, structureren en opschonen van gegevens.

Ito benadrukt dat digitale tweelingen de arts niet vervangen, maar ondersteunen.

Een digitale tweeling helpt bij het genereren van nieuwe kennis en het voorspellen van behandeluitkomsten, maar de klinische besluitvorming blijft altijd in handen van de arts.

Prof.dr. Keita Ito

Van standaardzorg naar gepersonaliseerde behandeling

Wat dit onderzoek wetenschappelijk zo interessant maakt, is de integratie van technologie, biologie en datawetenschap om concrete klinische vraagstukken op te lossen. Digitale tweelingen reproduceren niet alleen de anatomie van het lichaam, maar geven ook inzicht in de manier waarop biologische systemen reageren op mechanische en elektrische belasting, hoe ziekteprocessen ontstaan en hoe interventies veilig kunnen worden geëvalueerd voordat ze bij patiënten worden toegepast.

Volgens Buck is deze ontwikkeling onvermijdelijk. We bewegen richting datagedreven gezondheidszorg, waarin standaardbehandelingen plaatsmaken voor gepersonaliseerde behandelstrategieën, zegt zij. Dat leidt tot betere patiëntuitkomsten én een effectievere en betaalbaardere zorg.

Uiteindelijk verbindt dezelfde belofte zowel de groeiende wervelkolom als het herstellende hart. Of het nu gaat om het voorspellen van scoliose voordat een verkromming ontstaat of het voorkomen van een fatale hartritmestoornis voordat deze optreedt: digitale tweelingen bieden een nieuw venster op het levende menselijk lichaam. Ze vormen de basis voor een geneeskunde die leert, zich aanpast en meegroeit met de patiënt.