Virtuele hartoperatie: trial zonder error

Eén op vijf van ons krijgt vroeg of laat te maken met een vorm van hartfalen. Om een goede behandelingsstrategie te bepalen gebruikt de geneeskunde vandaag nog steeds dezelfde beoordelingstechnieken als vijftig, zestig jaar geleden: klinische studies. Hierbij wordt de werkzaamheid en veiligheid van een behandeling geëvalueerd op een grote groep patiënten. Stel, een nieuwe behandeling leidt voor 90% van de patiënten tot beterschap. Dan zal je arts geneigd zijn ook jou deze behandeling voor te stellen. Maar wat is het lot van die andere 10%? En zal jij net die ene uit de tien zijn? Dat blijft helaas trial and error.

Kunnen we die behandeling eerst op jouw hart uitproberen alvorens ze effectief uit te voeren? Ja! Met een digitale tweeling van jouw hart.

Digitale tweeling

Digitale tweelingen zijn exacte kopieën van een product, object of proces in een computer. Ze zijn niet nieuw. Straffer nog, je komt ze dagelijks tegen. Auto’s, vliegtuigen, weerpatronen, bruggen, en ja zelfs je tandenborstel wordt tegenwoordig alsmaar vaker ontworpen of bestudeerd in de computer.

Zo schiet SpaceX geen duizenden raketten de ruimte in om via trial and error tot een finaal ontwerp te komen. Dat zou financieel onhaalbaar zijn. Neen, de ingenieurs in Elon Musks team testen ieder ontwerp in alle mogelijke scenario’s eerst virtueel in de computer. Een duur fysiek prototype ontwikkelen ze pas echt als ze zeker zijn. Of bijna zeker dan toch.

Een digitale tweeling van jouw hart ontwikkelen is gelukkig geen rocket science, toch? Wel, raketten hebben we al kunnen bouwen. Een mechanische pomp efficiënter dan ons eigen hart nog altijd niet. Het hart kan je letterlijk beschouwen als een biotechnologisch hoogstandje. Op elk moment vindt er in ons hart een complex samenspel van processen op sub-cellulair, cellulair, weefsel- en orgaanniveau plaats.

Door de biochemische, elektrische en mechanische processen in je hart uit te rekenen kunnen we onder meer de rekken in je hartweefsel gaan voorspellen (blauwpaars: samentrekking, spiervezels worden samengedrukt – oranjegeel: relaxatie, spiervezels worden uitgerekt).

Om het menselijk hart realistisch te simuleren, heb ik al deze processen beschreven met dezelfde natuurlijke wetten en principes die we kennen in onze fysieke wereld. Zo moet de netto in- en uitstroom van geladen deeltjes doorheen de celwand in evenwicht blijven met de totale lading van de cel. Elektriciteitsleer, weet je nog? Een wijzigende lading doet een spiercel samentrekken, kracht ontwikkelen en vervormen. Mechanica. Ook hydraulica komt eraan te pas. Het vervormend weefsel veroorzaakt een drukverschil tussen je hartkamers. Dit bepaalt hoeveel bloed er naar buiten wordt gepompt. Elk proces moest ik dan vertalen naar een wiskundige formule. Simpel toch?

Verdeel en heers

Niet echt. Het is onmogelijk om alle onderliggende processen voor het hele hart in één lange formule te gieten. Daarom deel ik ieder model op in vele kleine blokjes. Bekijk het als een lego-constructie. Elk blokje stelt hierbij een klein deeltje hartweefsel voor. Op ieder blokje pas ik dan de basiswetten van de fysica toe en reken ik de onderliggende processen en vergelijkingen uit.

Een virtueel hartmodel wordt opgebouwd uit miljoenen vergelijkingen. Die rekenen we gelukkig meestal niet handmatig uit.

Doe ik dit voor alle blokjes tezamen bekom ik een virtuele kopie die het biochemische, elektrische en mechanische gedrag van jouw hart voorspelt. Hierbij maak ik gebruik van medische beelden, elektrocardiogrammen en bloeddrukmetingen om het virtuele hart aan te passen aan jouw hart.

De klinische paskamer

Net zoals je kleren past in de winkel, maken deze computermodellen het bijvoorbeeld mogelijk voor elke patiënt meerdere hartkleppen te passen. Ik bereken dan de mechanische belasting die verschillende soorten en maten kleppen op jouw hart uitoefenen. Op gelijkaardige manier laten deze simulaties ons toe te voorspellen of een bepaald medicatieschema zal werken voor jou. Daarvoor breng ik onder andere in rekening hoe medicatie de in- en uitstroom van geladen deeltjes doorheen de celwand in de war stuurt. Jouw risico op negatieve bijwerkingen krijg je er dan gratis bij. Op deze manier gebeurt de trial and error eerst virtueel, om zo de error in de realiteit te verminderen.

Door de spanningen in jouw hartklep te berekenen, kunnen we het we het risico op falen gaan inschatten.

Een nieuwe gouden standaard?

Klinische studies vormen de gouden standaard beoordelingstechniek in de geneeskunde. Deze studies zijn erg duur en tijdrovend. Het duurt vaak jaren alvorens een nieuw implantaat of medicijn wordt getest op de mens. Met een virtueel hart kan dit in een paar uur. Klinische studies houden ook steeds een zeker risico voor de deelnemers zelf in. De gouden standaard heeft dus wat van zijn glans verloren.

Ook is het zo dat in een klinische studie maar één behandeling per patiënt wordt uitgevoerd, terwijl je er virtueel veel meer kan proberen. Dit potentieel is ook de FDA niet ontgaan, het Amerikaanse agentschap dat instaat voor de kwaliteit en veiligheid van medische procedures, implantaten en medicijnen. Zo maak ik deel uit van een consortium dat samen met de FDA de allereerste virtuele klinische studie uitvoert. Hierbij wordt een nieuw klepimplantaat eerst in een virtuele patiëntenpopulatie getest en geoptimaliseerd. Pas later zullen dieren- en mensenstudies volgen. Proefdieren- en mensenleed wordt dus zoveel mogelijk vermeden. Zelfs onethische testscenario’s kunnen nu alsnog virtueel uitgevoerd worden.

Een win-win-…-win situatie

Minder bijwerkingen en terugkerende patiënten besparen de maatschappij heel wat geld. Virtuele harten vormen ook bijzonder interessante educatieve tools voor artsen in opleiding. Zoals jonge piloten eerst trainen op de vluchtsimulator, kunnen artsen binnenkort hun eerste incisies maken in een virtueel hart. Tenslotte laten deze computermodellen ons toe het menselijk hart alsmaar beter te begrijpen.

We verbeteren continu de voorspellingskracht van deze computermodellen. Alsmaar verder in de toekomst. Zo bestudeer ik momenteel met artsen en biologen de structurele processen die het hartweefsel geleidelijk aantasten en wijzigen.  Zo hoop ik te voorspellen hoe jouw lekkende klep vandaag je hart binnen vijf à tien jaar zal beïnvloeden.

Ik kijk al uit naar de dag dat computationele biologie en klinische geneeskunde volledig versmelten en iedereen, van een pasgeboren baby tot een kranige oude dame, over hun virtueel hart beschikt.

Mathias Peirlinck is genomineerd voor de Vlaamse PhD Cup. Ontdek meer over zijn onderzoek op www.phdcup.be.