Supercomputer brengt patiënt virtueel in beeld

Het Virtual Human Project heeft als doel om een zo exact mogelijke digitale kopie van een patiënt te maken, op meerdere niveaus: van DNA, eiwit en cel tot weefsels en organen. Een supercomputer met enorme rekenkracht is daarvoor nodig. beeld iStock
2

Op een dag heeft elke huisarts en medisch specialist van elke patiënt een digitale dubbelganger op zijn computerscherm. Dankzij die virtuele patiënt kan hij of zij zien op welke behandeling die persoon het beste zal reageren. Geen standaardprotocol dus meer waar iemand misschien niet op reageert of die allerlei bijwerkingen geeft.

Tenminste, dat is de visie van de Europese onderzoekers die betrokken zijn bij het Virtual Human Project. Om die grote droom werkelijkheid te laten worden, moeten de wetenschappers wel eerst nog een realistische digitale versie van een mens samenstellen. Gezien de complexiteit van het menselijk lichaam –op allerlei niveaus– is zoiets eerder gezegd dan gedaan. Dat zal duidelijk zijn.

Maar terug naar de basis: wat staat de Europese wetenschappers van het Virtual Human Project eigenlijk voor ogen wanneer ze het hebben over een virtuele mens? Alfons Hoekstra van de Universiteit van Amsterdam legt uit op de projectwebsite: „Een virtuele mens is feitelijk een computerversie van mij.” Ingewikkelde algoritmes kunnen vervolgens aan die digitale dubbelganger rekenen. „De computer kan dan voorspellen hoe ik zou reageren als er iets met mij gebeurt, bijvoorbeeld als ik een been breek of een geneesmiddel inneem.” De virtuele mens zou je dus kunnen zien als een soort proefpersoon.

Diverse onderdelen van zo’n virtuele mens bestaan al, zegt Blanca Rodriguez van de Universiteit van Oxford. „We maken al virtuele organen in ons laboratorium. Daarvoor bundelen we alle kennis die we van dat orgaan hebben, bijvoorbeeld alles wat we weten van het menselijke hart, en we vertalen dat naar computersoftware. Met die software kunnen we simuleren hoe een ziekte dat hart zou aantasten en berekenen we hoe die aandoening het beste kan worden behandeld.”

Projectleider Peter Coveny van University College London (UCL) vult aan: „We kunnen een kloppend menselijk hart inmiddels behoorlijk goed weergeven.” Zo’n computersimulatie kan medici nu al helpen bij het opstellen van een behandelplan voor patiënten die bijvoorbeeld kampen met hartritmestoornissen of fibrillatie, aldus Coveny. „Andere software richt zich op de interactie tussen medicijnen en eiwitten in het lichaam of hoe groepjes cellen elkaar beïnvloeden. We hebben dus functionerende onderdelen.”

2020-11-04-ACH18-dwarsdoorsnede_buik-2-FC_webLuguber project: digitale anatomische atlas van de mens

Complicaties voorkomen

Het ultieme doel van het Virtual Human Project is niet zomaar te experimenteren met een virtueel hart, maar met een hart dat een zo exact mogelijke digitale kopie is van het hart van de patiënt qua anatomie en stofwisseling, inclusief lekkende klep, bloedvatvernauwing, verdikte hartspier of wat er ook aan de hand is. Volgens Coveny kan een hartchirurg zich met zo’n model beter voorbereiden op een operatie, waardoor er minder complicaties optreden.

Maar hoe ga je van een virtueel hart naar een complete virtuele persoon? Dat is precies de grootste uitdaging waar de onderzoekers van het Virtual Human Project zich voor gesteld zien. Het werken met een digitale mens vraagt namelijk om een computer met gigantische rekenkracht – een supercomputer. „De computer moet immers de complexiteit van het menselijk lichaam kunnen verwerken”, zegt Coveny. „En dat op meerdere niveaus: van wat er gebeurt op DNA-niveau, tot de moleculaire activiteit van eiwitten, het geheel van één enkele cel, tot weefsels en organen. Die aspecten moet je allemaal samenvoegen. In zijn volle glorie is deze software dus extreem complex en zal bestaan uit talloze componenten die de werking van afzonderlijke lichaamsprocessen beschrijven en hoe die met elkaar samenhangen.”

Een van de instituten waar wordt gewerkt aan een virtueel model van de mens, is het Leibniz Supercomputing Centrum van de Beierse Academie der Wetenschappen in München. De onderzoekers gebruiken daarvoor de SuperMUC-NG, Duitslands krachtigste supercomputer.

De ontwikkeling van de computer is hard gegaan in de afgelopen decennia. Dieter Kranzmüller, hoofd van het onderzoekscentrum, denkt dan ook dat de rekenkracht van een supercomputer over enkele decennia gemeengoed is. „De rekenkracht van onze SuperMUC vandaag, hebben we waarschijnlijk over tien tot twintig jaar in onze iPads en smartphones”, zei Kranzmüller in een interview met Euronews. „We proberen nu te simuleren wat we over vijftien tot twintig jaar nodig hebben voor gepersonaliseerde geneeskunde op de werkvloer in het ziekenhuis.”

Dat is ook wel zo’n beetje de termijn waarop we een volledige virtuele mens kunnen verwachten, zegt Coveny. Hij vergelijkt de verschillende onderdelen die met elkaar het digitale lichaam vormen met bakstenen. „Terwijl we het ‘gebouw’ steen voor steen opbouwen en complexiteit toevoegen, krijgen we een steeds betrouwbaarder weergave van het menselijk lichaam. Zoals gezegd: delen hiervan bestaan al. Als we naar de toekomst kijken, zou ik zeggen dat we nog ongeveer twintig jaar nodig hebben om op het niveau van een volledige virtuele mens te komen.”

Nut en noodzaak

De tijd zal het leren of we over twintig jaar inderdaad de rekenkracht van een supercomputer in onze laptop of smartphone hebben. Wat zeker te betwijfelen valt, is of de uiterst complexe software die kan rekenen aan virtuele patiënten direct in alle sectoren van de gezondheidszorg zal worden ingevoerd.

Waar wetenschappers graag de grenzen van kennen en kunnen opzoeken, draait het in de medische praktijk van alledag immers vooral om nut en noodzaak. Zo wordt er al gewerkt aan software die kenmerken van een patiënt in de spreekkamer kan spiegelen aan de eigenschappen van duizenden of miljoenen patiënten in een database. Op basis van die informatie kan de huisarts ook te zien krijgen welk middel hij het beste kan voorschrijven aan deze patiënt met een hoge bloeddruk, diabetes of een te hoog cholesterol. Het is dan niet nodig dat de huisarts simulaties loslaat op een digitale dubbelganger van de hele persoon die hij op het spreekuur krijgt.

Lichaamsprocessen

Waar een virtuele patiënt wel nuttig kan blijken, is ter behandeling van kanker en andere complexe ziektebeelden. Oftewel, aandoeningen waarin academische ziekenhuizen zich doorgaans specialiseren. Wanneer de behandelend arts eerst op een digitale dubbelganger kan uitproberen welke chemotherapie de minste bijwerkingen geeft, welke operatieve aanpak de kleinste kans geeft op complicaties of welk geneesmiddel het beste werkt bij familieleden met een bepaalde erfelijke aandoening, is dat voor patiënten natuurlijk positief.

Het voordeel van het Virtual Human Project ligt misschien vooral in de impuls die het geeft aan de ontwikkeling van software die lichaamsprocessen simuleert. Arts en patiënt lijken daar op dit moment het meeste baat bij te hebben.

Een volledig virtuele versie van onszelf is voorlopig in ieder geval nog toekomstmuziek.