Gesundheitsversorgung Patientenzwillinge zur Verbesserung klinischer Prozesse

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Digitale Zwillinge kennen die meisten wahrscheinlich nur aus dem Bauwesen. Diese könnten aber schon bald im Gesundheitswesen eingesetzt werden. Und zwar, in dem sogenannte Patientenzwillinge Vorhersagen über die Verträglichkeit von Pillen testen. Wie das klinische Prozesse in Zukunft beeinflussen wird, haben sich Forschende zur Aufgabe gemacht.

Die Erstellung und Entwicklung digitaler Zwillinge für Maschinen sind noch lange nicht ausgereift, doch die Forschung ist schon einen Schritt voraus. Denn in Zukunft soll das Prinzip auch in der Gesundheitsversorung Anwendung finden, indem die Pille nicht mehr an einem Menschen getestet wird, sondern an seinem digitalen Zwilling. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Experimentelles Software Engineering IESE prüfen, inwiefern es möglich sein wird einen Nachbau eines Menschen zu erstellen, welcher physiologische Prozesse und biologisch stattfindende Veränderungen in der Zukunft simulieren kann. Ein solches Modell soll Zellstrukturen, Gewebe, Organe oder sogar ganze Menschen darstellen und alle Informationen über den realen Menschen, also den tatsächlichen Patienten enthalten.

Hilfreich sind Patientenzwillinge ganz besonders dann, wenn Ärzte bestimmte Medikamente verabreichen wollen und die künftige Wirkung nicht in Gänze vorherzusehen ist. Dazu gehören Arzneimittelwechselwirkungen und Nebenwirkungen. Dr. Jonas Marcello, Mitleiter der Abteilung Digital Health Engineering am Fraunhofer IESE, erklärte: „Digitale Patientenzwillinge haben ein enormes Potenzial für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen. Um ein Beispiel zu nennen, könnten die Modelle helfen, Stoffwechselprozesse im Körper sichtbar zu machen.“ Und das solle funktionieren, noch bevor der Patient die erste Pille einnimmt, so Marcello.

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Er klärte außerdem darüber auf, wie digitale Zwillinge den Umgang mit Behandlungsmethoden und Forschungsfragen beeinflussen können: „Digitale Patientenzwillinge könnten sich positiv auf klinische Studien auswirken. Studien mit menschlichen Probanden könnten möglicherweise vereinfacht und beschleunigt werden, indem Aspekte wie Wirksamkeit oder Dosierung am Zwilling im Vorfeld digital simuliert werden.“ Weltweit gebe es nur wenige klinische Studien zu Patientenzwillingen.

Die Forschung an digitalen Patientenzwillingen gestaltet sich auch schwieriger als die an Maschinen. Und das liegt ganz klar am Komplex „Mensch“. Dr. Theresa Ahrens ist Mitleiterin derselben Abteilung und gab zu, dass, obwohl bereits ziemlich viel bekannt sei zu den molekularen Mechanismen, Funktionen und Kommunikation von Zellen, es dennoch unmöglich sei, eine präzise Simulation eines Menschen zu erstellen und genau vorherzusagen, was passieren wird. Demnach wird es immer gewisse Grenzen geben, doch auch sie bestätigte, dass allein eine virtuelle Nachbildung einzelner Organe eine große Wirkung entfalten könne.

Einen besonderen Fortschritt konnten sie bei der digitalen Kopie eines Herzens erzielen. „Der digitale Zwilling führt alle relevanten Gesundheitsinformationen zusammen und interagiert mit KI, um wichtige kardiovaskuläre Daten zu sammeln und mit anderen relevanten Informationen wie Laborwerten oder den Ergebnissen medizinischer Bildgebung zu kombinieren“, sagte Ahrens. Doch auch mit anderen Organen wurde der digitale Zwilling erfolgreich eingesetzt, z. B. mit der digitalen Lunge. Hier können spezielle Behandlungs- und Beatmungsmethoden am Computer getestet werden. Patienten profitieren dann an einem besseren verfügbaren Beatmungsmodell. Bildgebende Verfahren ermöglichen schon länger Einblicke in den menschlichen Körper. Deshalb sind Organ-Simulationen bereits weiter entwickelt.

Doch wie wird ein digitaler Patient eigentlich erstellt? Auch diese Frage klären die Forschenden in einem Interview mit dem Fraunhofer-Institut. „Die Erstellung eines digitalen Zwillings eines Patienten erfordert riesige Mengen an qualitativ hochwertigen Daten – und damit meine ich Langzeitdaten, die das gesamte Leben einer Person abdecken. Angenommen, Sie hätten alle Daten, wäre es immer noch eine technische Herausforderung, die Informationen aus verschiedenen Datenquellen in einen gemeinsamen Kosmos zu integrieren“, klärte Marcello auf. „Und auch der Datenschutz ist in diesem Zusammenhang ein sensibles Thema. Wer darf von wo aus auf die Daten zugreifen? Wer autorisiert den Zugriff? Auch die Zuverlässigkeit der Algorithmen, die der Analyse zugrunde liegen, ist ein Schlüsselfaktor.“

Diese Langzeitdaten sind individuelle Gesundheitsdaten, die in Echtzeit mit Studien, Krankheitsbildern, -verläufen sowie mit Medikationen, Diagnostiken und Therapien anderer Betroffenen abgeglichen werden. Diese Methoden können sich Ärzte zu Nutze machen und zusätzliche Evidenzen, klinische Leitlinien oder andere Aspekte heranziehen, um ein Behandlungskonzept aufzustellen. Mit der langjährigen Expertise in der Entwicklung von digitalen Zwillingen, Data Science und Datenschutz möchten die Forschenden nun dazu beitragen, digitale Patientenzwillinge im Gesundheitswesen umfassend und ganzheitlich zu realisieren und zu einem Paradigmenwechsel in der personalisierten Medizin beizutragen.

Stichwort Paradigmenwechsel: Aufgrund der alternden Gesellschaft geht man davon aus, dass künftig die Gesundheitskosten enorm steigen werden. Darunter fallen vor allem auch chronische Krankheiten. Es wird immer wichtiger, klinische Prozesse effizienter und kostengünstiger zu gestalten. Insbesondere, weil Patienten wiederum das Preis-Leistungs-Verhältnis unterschiedlicher Gesundheitsleistungen im Auge behalten werden, während sich Verantwortliche im Gesundheitswesen verstärkt auf die Behandlungswirksamkeit und die Kostensenkung konzentrieren. Digitalisierung bleibt ein Mittel zum Zweck.

Marcello sprach in dieser Hinsicht auch von einem „vorausschauenden Health-Monitoring“: „Damit ist der Weg für ein vorausschauendes Health-Monitoring geebnet. Und auch bei der Frühvorsorge und Prävention öffnet die Technologie neue Türen, da die virtuelle Nachbildung Hinweise in der Anfangsphase eines Gesundheitsproblems geben oder ein erhöhtes, spezifisches Krankheitsrisiko aufdecken kann.“ Mithilfe digitaler Patientenzwillinge können frühzeitig Maßnahmen ergriffen werden, die dazu beitragen, Langzeitfolgen für Patientinnen und Patienten zu vermeiden. Daraus ergibt sich ein Mehrwert für Krankenhäuser – für klinische Prozesse und für die Patienten.

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