Herz-Kreislauf-Forschung liefert ne… – Information Centre – Research & Innovation

Ein europäisches Forschungsteam hat den „Virtual Physiological Human“ (VPH) als vollständiges Computermodell des Körpers erstellt.

Ein europäisches Forschungsteam hat den „Virtual Physiological Human“ (VPH) als vollständiges Computermodell des Körpers erstellt. Nun forscht ein EU-finanziertes Projekt an Herz-Kreislauf-Behandlungen und mehrere zentrale Ergebnisse werden von der Industrie übernommen. Grundlagenforschung wird so in medizinische Praktiken überführt, die behandelten Personen helfen und Criteria anheben.


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„Wenn gentleman vom virtuellen physiologischen Menschen, dem VPH, spricht, geht es vor allem um personalisierte Medizin“, erklärt John Fenner, Teammitglied der Projektkoordination von VPH-Circumstance und Dozent für Medizinische Physik an der Universität Sheffield im Vereinigten Königreich. „Betrachten wir zum Beispiel Medikamente. Ein Arzt oder eine Ärztin verschreibt normalerweise vielleicht je nach Gewicht der behandelten Person geringfügig unterschiedliche Dosen. Aber die Entscheidung, welches Medikament gegeben wird, basiert erstaunlich oft auch auf bestimmten Bevölkerungsgruppen. Und üblicherweise ist das dann eine Einheitslösung.“

Der VPH-Ansatz soll dieses Trouble mit Hilfe von Rechenmodellen lösen, die auf fundierteren Erkenntnissen über die allgemeine Funktionsweise des menschlichen Körpers basieren. So lassen sich unwirksame Medikamente noch vor der Studienphase aussortieren, was Millioneneinsparungen in der Medikamentenentwicklung ermöglichen könnte. „Damit könnte gentleman wirksamere Therapieren mit weniger Nebenwirkungen entwickeln, die speziell auf die einzelne Person zugeschnitten sind“, ergänzt Fenner. „Das gilt auch für Prothesen oder medizinische Geräte.“

Ein weiterer wichtiger Baustein des VPH ist mehrskalige Modellierung, bei der Prozesse von der Makro- bis zur Mikroebene simuliert und miteinander verknüpft werden. Die Eigenschaften von Knochen auf makroskopischer Ebene zu kennen (wie Festigkeit, Gewicht, Steifigkeit usw.), reicht nicht aus, um eine gut funktionierende Prothese zu erstellen. Man muss auch die Effekte auf Zellebene berücksichtigen. „Wenn Sie zum Beispiel ins Fitnessstudio gehen“, so Fenner, „und Gewichte heben, wachsen Ihre Muskeln wegen kleiner Veränderungen auf Mikroebene in Ihren Muskelzellen. Wir brauchen also eine Modellierung, die all diese Maßstäbe – von der Skelettstruktur bis zum Prozess in der Zelle – abbilden kann.“

Bessere Herz-Kreislauf-Behandlungen

Im Rahmen der VPH-Initiative wurde 2015 das EU-finanzierte Projekt VPH-Circumstance ins Leben gerufen. Es sollte potenzielle neue Instrumente und Methoden erarbeiten, die bessere kardiale Behandlungen ermöglichen. In diesem von den Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen geförderten Projekt kamen fourteen begabte Nachwuchsforschende zusammen, um eine große Bandbreite von Themen zu bearbeiten: vom Verhalten der Herzzellen bis zur Untersuchung von Populationen. „Alle Forschungsergebnisse flossen in die Arbeiten von Kolleginnen und Kollegen ein“, erklärt Fenner. „Diese gegenseitige Befruchtung, dieses Nutzen von Erkenntnissen und Modellen der anderen für die eigene Forschung, ist Teil des Arbeitsethos bei VPH.“

Die fourteen Forschungsvorhaben konzentrierten sich auf drei Themencluster: zum einen Herzgewebefunktion und Herzunterstützung, zum anderen kardiovaskuläre Hämodynamik (Blutzirkulation) sowie bildbasierte Diagnostik. Da Partner aus Industrie und Medizin beteiligt waren, erhielt das Workforce wertvolle Arbeitserfahrung und die Projekte blieben stets an der Lösung realer Probleme orientiert.

„Einige Studierende wurden in kleine Unternehmen entsandt, um dort bessere Technik für die medizinische Bildgebung aufzubauen und zu testen“, ergänzt Fenner. „Für eine akademische Einrichtung wie die unsere ist es ein Geschenk, so mit der Industrie zusammenarbeiten zu können.“

In eine strahlende Zukunft

Andrew Narracott, Kollege von John Fenner an der Universität Sheffield, beschreibt das Projekt VPH-Circumstance als Baustein auf dem Weg zu einer personalisierten Medizin und besserer medizintechnischer Diagnostik. „Der Weg ist lang und wir haben noch viel vor uns, aber gentleman muss Stein auf Stein setzen, um ans Ziel zu kommen“, beschreibt er.

„Ein guter Indikator für unseren Erfolg ist wohl die hohe Qualität der Lehre, die unsere Studierenden genießen konnten. Sie sind nun entweder an weiteren Forschungsarbeiten beteiligt oder in der Industrie tätig, was mich sehr freut. Einer unserer Ehemaligen arbeitet jetzt am Nationalen Physikalischen Laboratorium, dem Institut für nationale Criteria im Vereinigten Königreich. Für uns ist das ein großer Erfolg.“

Zudem wurden einige technische Entwicklungen aus dem Projekt weitergeführt. Beispielsweise wird ein Ultraschalltestsystem jetzt zu einem Testinstrument für Magnetresonanztomografietechnik (MRT) weiterentwickelt.

„Wir haben im Rahmen von VPH-Circumstance eine gute Zusammenarbeit mit KMU aufgebaut, die wir jetzt fortsetzen. Denn perspektivisch wollen wir, wo möglich, die Technologien kommerzialisieren“, so Fenner. „Einer unserer Studierenden arbeitet jetzt weiter mit der Industrie zusammen an computergestützten Lösungen für die Assistenz bei chirurgischen Eingriffen. Dass diese Interaktionen weitergehen, belegt, dass die Ideen für eine potenziell verbesserte Herz-Kreislauf-Behandlung sowohl von der Industrie als auch der Forschung erkannt und übernommen wurden.“

Fenner zufolge liegt ein zusätzlicher Erfolg des Projekts im Beitrag zur Meinung der Öffentlichkeit über den Wert computergestützter Methoden in der Medizin. „Ein besonderes Spotlight war für uns die Beteiligung an einer Kunstausstellung in London“, berichtet er.

„Eine der Modellierungstechniken, die wir im Projekt entwickelt hatten, wurde als Teil einer dynamischen Skulptur ausgestellt. Das war eine dankbare Aufgabe für uns und hat uns gleichzeitig eine ganz neue Perspektive auf unsere Forschung eröffnet. Durch die Interaktion mit der Öffentlichkeit waren die Forschenden gezwungen, ihre Arbeit in einem anderen Licht zu betrachten und vielleicht auch die gesellschaftlichen Folgen ihrer Arbeit stärker zu berücksichtigen. Für ihre Karriere wird diese neue Sichtweise unbeschreiblich wertvoll sein.“