Zo waarheidgetrouw mogelijk de kenmerken van de patiënt nabootsen

Impact maken met een digitaal tweelinghart

Bij onderzoeksinstituut CARIM werkt een groep onderzoekers – onder leiding van Joost Lumens - aan ‘het digitale tweelinghart’: een computermodel waarmee het menselijk hart wordt nagebootst. Dit onderzoek geeft aanleiding tot heel wat optimisme. Door de mogelijkheden die het digitale tweelinghart in de toekomst biedt kunnen behandelingen steeds beter gericht worden op het ziektebeeld van één specifieke persoon. Ook zullen minder vaak ingrijpende en voor de patiënt (dus) belastende behandelingen nodig zijn en zijn er minder proefdieren nodig voor onderzoek.

De technologie helpt wetenschappers als postdoc onderzoeker Aurore Lyon om vernieuwend onderzoek te doen naar hartziekten en de best mogelijke behandeling daarvan. In dit artikel vertelt Aurore over de impact van de onderzoekslijn van het digitale tweelinghart.

 

Een digitaal tweelinghart; wat is dat?

Aurore Lyon: “Een digitaal tweelinghart is een computermodel van het hart dat wordt gemaakt met echte menselijke gegevens. We bootsen er het menselijk hart mee na. Doordat we met echte menselijke data werken, kunnen we de computermodellen steeds nauwkeuriger maken en ook steeds persoonlijker. Ze helpen ons om hartziekten beter te begrijpen: ze kunnen bijvoorbeeld duidelijk maken welke patiënten meer risico lopen op een plotselinge dood. Cruciale informatie als het gaat om preventie, want als we weten welke patiënten meer risico lopen, kunnen we dat in een eerder stadium opsporen en mogelijk voorkomen”

Aurore Lyon: "Wat we kunnen bereiken met deze computermodellen is echt krachtig: voor individuele patiënten maar ook voor de algehele ontwikkeling van hartonderzoek. Het is echt geweldig!"

We ontwerpen de computermodellen op basis van wiskundige vergelijkingen die de pompwerking van het hart beschrijven, aangevuld met meetgegevens van patiënten uit het ziekenhuis, zoals ECG’s (een hartfilmpje dat de elektrische signalen van het hart in een grafiek weergeeft) en echo’s. Op deze manier kunnen we het model steeds persoonlijker maken: we komen steeds dichter bij de kenmerken van een groep patiënten en uiteindelijk zelfs bij die van een individuele patiënt. Het digitale model lijkt dus heel erg op je eigen hart: het is als het ware een digitale replica van je hart. Op den duur kunnen we de effecten van bepaalde behandelingen voorspellen door die op het digitale hart toe te passen voordat we dat doen op de patiënt zelf. Het zal nog wel even duren voordat we zover zijn. Ieder mens is immers anders en dus moeten we ook rekening houden met kenmerken als geslacht, onderliggende ziekten en voorgeschiedenis en biologische variabelen. Maar we boeken flinke vooruitgang.”

 

Je bent gepromoveerd in Oxford. Kun je iets vertellen over je onderzoek daar?

Aurore Lyon: “Mijn PhD-onderzoek is een goed voorbeeld van hoe onderzoek impact kan hebben voor patiënten. Van de groep patiënten in mijn onderzoek wisten we niet wie van hen plotseling kon overlijden. Daarom was het belangrijk te weten wie risico liep. De cardiologen met wie ik werkte zeiden: ‘Hier heb je een groep patiënten. Dit zijn hun ECG's en hun klinische gegevens (bijvoorbeeld of de patiënt bekend is met flauwvallen, hartritmestoornis of hartstilstand). Kun je aan de hand van het ECG voorspellen wie van hen meer risico loopt om plotseling te overlijden?’. Met behulp van machine learning en kunstmatige intelligentie kreeg ik informatie uit de ECG's die met het menselijk oog niet waar te nemen is.

De artsen waren enthousiast over de resultaten van het onderzoek. Uit de ECG’s vond ik namelijk drie subgroepen van patiënten die een verschillende vorm van het ECG hadden. Toen ik deze groepen had gevonden, was de volgende vraag: loopt een van deze groepen meer gevaar op een risicovol incident? En dat was voor één van de groepen inderdaad zo. Het onderzoek heeft zowel artsen als patiënten zeer waardevolle informatie gegeven. Als er nu een nieuwe patiënt binnenkomt, kunnen we al snel zeggen: ‘Op basis van uw ECG behoort u tot een risicogroep’.

Daarna wilde ik weten: waarom loopt deze groep meer risico? Wat is er aan de hand bij deze patiënten? Om de oorzaak te vinden, heb ik computersimulaties gebruikt, vergelijkbaar met wat ik nu bij CARIM doe. Daarmee heb ik twee verschillende mechanismen kunnen vinden die verklaren waarom deze patiënten meer risico lopen. Hiermee kunnen we deze patiënten een persoonlijke(r) behandeling bieden met medicijnen of ze betere richtlijnen geven voor preventie.

electromechanics digital heart

Terug naar het digitale hart. Wat is volgens jou de impact van dit onderzoek?

“Het onderzoek heeft op veel manieren impact. Allereerst op de patiënt en zijn ziekteverloop. Dankzij het computermodel is de diagnose die we de patiënt kunnen geven nauwkeuriger, persoonlijker, sneller en gebaseerd op feiten en gegevens. Daardoor kunnen we de patiënt beter behandelen en ook vaker zonder dat we ingrijpende behandelingen in moeten zetten. Het digitale hart zorgt er ook voor dat we samen met bedrijven medicijnen, therapieën en apparaten kunnen ontwikkelen die perfect passen bij een groep patiënten en uiteindelijk zelfs bij een specifieke patiënt. Tot zulke nauwkeurige resultaten komen is niet of nauwelijks haalbaar en ook niet wenselijk door uitsluitend met echte patiënten te werken in het onderzoek om ethische - en veiligheidsredenen. Gelukkig keuren de controlerende instanties het steeds vaker goed dat we computermodellen gebruiken om hypotheses of nieuwe therapieën te ontwikkelen. Dat kan ook bijna niet anders: dichter bij de werkelijkheid kun je niet komen. Er bestaan steeds meer studies die aantonen dat computermodellen van het hart meer voorspellende waarde hebben dan diermodellen. Dat is een extra voordeel: onderzoekers zullen steeds minder afhankelijk zijn van proefdieren.

Het digitale tweelinghart heeft ook impact op onderzoekers en hun samenwerking met artsen. De resultaten van het onderzoek kunnen immers onmiddellijk vertaald worden naar de zorg en andersom. Aurore Lyon: "Stel je voor dat een ziekte effect heeft op een specifiek molecuul in het hart; iets op kleine schaal. We weten dan niet goed hoe zich dat vertaalt naar de patiënt. In de praktijk wordt zoiets dan bestudeerd op celniveau (onder de microscoop) of in de patiënt. Dat waren tot nu toe gescheiden werelden. Met het digitale hart vertalen we effecten op celniveau naar de patiënt en weer terug. Zo brengen we die werelden bij elkaar.

Er zijn nog twee werelden die dankzij het digitale tweelinghart samenkomen. De onderzoekslijn verbindt namelijk ook experts van twee onderzoeksterreinen die tot nu toe vaak los van elkaar werden benaderd: zij die zich bezighouden met de elektrische functie van het hart en zij die de mechanische functie bestuderen. Aurore Lyon: "Dankzij de technologie maken we het mogelijk dat we met verschillende experts naar hetzelfde kijken als één geheel. Het mooie is dat hierdoor ook nieuwe ideeën voor onderzoek ontstaan. Deze verbindende werking van het digitale tweelinghart-onderzoek is dan ook van grote invloed op het onderzoek bij CARIM.

Aurore Lyon: “Ik hou van deze rol die disciplines overbrugt”. 

Met haar Franse afkomst en eerdere carrièrestappen in Groot-Brittannië is het evengoed heel logisch dat Aurore Lyon in Maastricht bij CARIM belandde. "Het is echt niet overal zo dat ziekenhuis en onderzoekers zo goed geïntegreerd zijn als hier in Maastricht. CARIM is hier echt mee bezig. Voor mij is dat een belangrijke reden geweest om me bij deze groep aan te sluiten. En niet alleen is het cardiovasculair onderzoek hier in Maastricht van hoog niveau, ze zien hier ook echt de waarde in van computersimulatie en spelen daar een actieve rol in. Dat is uniek in de wereld!

Lees ook

  • Het DRIVE RM-consortium, met UM-hoogleraar Clemens van Blitterswijk als mede-aanvrager, ontvangt 37,5 miljoen euro binnen het prestigieuze SUMMIT-programma van NWO. De SUMMIT-beurs erkent samenwerking van wereldklasse, die hiermee verder versterkt kan worden. 

  • Overweeg je de masteropleiding Epidemiologie aan de Universiteit Maastricht te volgen? Als student volg je een breed eenjarig programma dat continu streeft naar verbetering. Na het behalen van je diploma kun je je certificeren als Epidemioloog A en na het behalen van een PhD in Epidemiology bij de...

  • Wetenschappers van het MERLN-instituut van Universiteit Maastricht en van het Maastricht UMC+ zijn erin geslaagd om een embryostructuur van een menselijke eeneiige tweeling te kweken uit louter stamcellen, zonder een eicel of spermacel te gebruiken. Dankzij deze kweek zien wetenschappers nu voor het...