Digital twin für personalisierte Therapien

Virtuelle Doppelgänger könnte eines Tages die Medizin revolutionieren: die Empa-Forscher entwickeln einen digitalen Zwilling, die sollen es erleichtern, die Entwicklung von personalisierten Therapien. Das Ziel ist für diese Avatare zu zeigen, wie ein Schmerz Leidende oder ein Diabetiker muss individuell behandelt werden. Dabei werden die digital-twin ermöglicht auch eine personalisierte Prognose für die Behandlung Prozess.

Menschen sind überraschend individuell. Wir unterscheiden uns stark in unseren Ernährungsgewohnheiten oder, in unserem film schmeckt. Wenn es um Krankheit geht, aber Sie würde vergeben werden für das denken sind wir alle gleich. Es ist ein Schmerzmittel für alle zur Behandlung von Kopfschmerzen oder insulin-Injektionen für alle Diabetiker. Für einige Zeit die moderne Medizin bekannt, dass dies ist nicht unbedingt wahr und prägte den Begriff „personalisierte Medizin“. Je nach Alter, lebensstil oder genetische make-up, eine person reagiert sehr unterschiedlich auf bestimmte Therapien. Und als Menschen sind ein lebendiges system, dass änderungen Ihrer Gewohnheiten, in Urlaub geht oder plötzlich eine Kälte, die medizinische Behandlungen müssen extrem flexibel sein.

Dies ist, wo die Idee eines virtuellen Alter ego ins Spiel kommt, die ist gefüttert mit echten Patienten physiologische Daten in Echtzeit. Diese medizinische avatar könnte eines Tages die Medizin revolutionieren. Empa-Forscher entwickeln bereits heute eine digitale Haut Zweibettzimmer, ermöglichen soll Schmerz-betroffene und Diabetiker behandelt werden, die in optimaler Weise. „Mit einem in-silico-Alter ego, sind wir in der Lage, zu reagieren, auf den einzelnen Patienten viel genauer“, erklärt Thijs Defraeye von der Empa die „Biomimetische Membranen und Textilien“ lab in St. Gallen.

Das Projekt, das soeben gestartet ist gefördert von der Novartis Research Foundation und dem Kompetenzzentrum für Materialwissenschaften und Technologie (CCMX). Das Ziel ist, zu verwalten Medikamente wie Schmerzmittel und insulin über die Haut, durch intelligente Fasern und Membranen, während sensoren gleichzeitig gage die Vitalfunktionen des Patienten. Auf der Grundlage der Daten, die digitale twin macht Vorhersagen über die individuelle Dosierung und überwacht den Erfolg der Behandlung. Nach dem gleichen Prinzip, wird im nächsten Schritt der Doppelgänger könnte verwendet werden, um zu überprüfen, die Heilung Fortschritt der anspruchsvollen Wunden. Mit diesem im Verstand, die der Empa-Forscher haben bereits entwickelten eine smart-bandage mit integriertem sensor.

Defraeye und sein team suchen zum Zusammenführen von zwei innovativen forschungsfeldern für die Entwicklung der digitalen Zwillinge: non-invasive drug administration über die Haut mit einem transdermalen Verband, sowie der Steuerung und Vorhersage der Verlauf der Behandlung mittels Echtzeit-Modellierung. In diesem Zusammenhang ist es besonders klug wie die Haut, unser größtes organ, bietet eine große, geeignete Fläche zum Kanal Substanzen bis zu einer bestimmten molekülgröße in den Körper. Jedoch, die Dosierung mit herkömmlichen therapeutischen Pflaster ist nahezu unkontrollierbar, wie einige der Wirkstoff kann noch freigegeben werden von der Haut-Schichten und in den Körper gelangen, auch wenn der Putz schon lange entfernt. Aktuelle Systeme, die feedback durch Messung der Droge Ebene in das Blut des Patienten, zum Beispiel, kann nur feststellen, ob die Dosis vielleicht zu hoch oder zu niedrig im Nachhinein; Vorhersagen über die tatsächliche Notwendigkeit für Medikamente sind noch Zukunftsmusik.

Die Fütterung der Zweibettzimmer mit Daten

Ein digitales twin-gefüttert mit Daten aus nicht-invasiven Sensorsystemen auf der Haut befestigt, hingegen, ermöglicht eine präzise und personalisierte Dosierung der Wirkstoffe. Die computer-Modellierung der digitalen Alter ego auch Faktoren in die Haut des Patienten Merkmale. Nachdem alle, der Wirkstoff absorbiert wird anders, je nachdem, wo das Pflaster am Körper befestigt oder ob das Medikament verabreicht wird, um eine braungebrannte Sportler, eine ältere Dame mit blasser, papierartige Haut oder in eine soft-skinned Neugeborenen. So ist die Medikamentendosis kann präzise gesteuert werden durch eine maßgeschneiderte, Zeit-abhängige rate der Ausschluss aus dem Verband, weil das system schaut in die Zukunft, nicht zurück. „Als zusätzlichen Vorteil, wir erwarten, dass wir in der Lage sein, um die Dosis zu reduzieren—von Schmerzmitteln, zum Beispiel—in einem solchen Ausmaß, dass der patient versorgt wird, mit genau der richtigen Menge“, sagt Defraeye.

In anderen Bereichen der Forschung, virtuelle Vertreter haben schon ein heißes Thema, seit die NASA die Apollo-13-mission. Doppelgänger wurden in den Simulationen zu bringen, die Besatzung des angeschlagenen Raumschiff sicher zur Erde zurück. Heute, digital-Zwillinge existieren im Flugzeugbau, Fahrzeugbau und Instandhaltung von Gebäuden, zum Beispiel. „In der Medizin, die Menschen träumen von kompletten in-silico-Doppelgänger, die Vorhersagen, wie eine person, Alter, oder wie ein künstliches Gelenk tragen in den Körper“, sagt Defraeye. Wir sind jedoch noch lange nicht, dass dies eine Realität. Das neuartige system aus intelligenten Putz-und Echtzeit-Simulationen ist daher ein entscheidender Schritt in einen bisher wenig erforschten Bereich mit enormem Potenzial, das Empa-Forscher erklärt. Zur gleichen Zeit, die personalisierte digital-twin für die transdermale Verabreichung von Medikamenten bringt uns einen Schritt näher an die menschlichen Avatare.

Für die Entwicklung der digitalen Zwilling im Gesundheitswesen, Defraeye erfolgreich auf Forschungsergebnissen aufbauen: In der Lebensmittel-Technologie-Branche, hat er bereits entwickelten digitalen Zwillinge von verschiedenen Früchten, die als Teil eines Laufenden Projektes, finanziert durch den schweizerischen Nationalfonds (SNF). Zur überwachung der Kühlkette vom Produzenten bis zum Einzelhändler in Echtzeit und in der Lage sein, es zu kontrollieren in Zukunft, die Forscher gemacht biophysikalische Zwillinge von äpfeln, mangos und anderen Früchte, die Verhalten sich in genau der gleichen Weise wie Ihre natürlichen Pendants in Bezug auf Ihre thermischen Eigenschaften und fungieren als sensoren. Die entsprechenden „Früchte spy“ begleitet, die echte Früchte auf Ihre Reise in den Supermarkt und überträgt die Daten auf das digitale twin, passt die Kühlung im LKW, zum Beispiel. In diesem Fall werden die virtuellen Früchte beruht auf einem drei-dimensionalen CAD-Modell von einem Apfel oder eine mango in Kombination mit entsprechenden multiphysikalischen Simulationen.