Foto: Promotievideo CompBioMed
wetenschap

UvA-hoogleraren werken aan virtual humans, virtuele kopieën van mensen

Sanne Mariani,
23 mei 2018 - 14:58

Het klinkt als een aflevering van de sciencefictionserie Black Mirror: een virtuele versie van jou met exact dezelfde botten, hetzelfde hart en hetzelfde immuunsysteem. Volgens UvA-hoogleraren Peter Sloot en Alfons Hoekstra is het niet angstaanjagend, maar juist een veelbelovende uitvinding: ‘De patiënt hoeft geen proefpersoon meer te zijn voor allerlei medicijnen.’

UvA-hoogleraren Alfons Hoekstra (Computational BioMedicine) en Peter Sloot (Computational Science) werken mee aan de ontwikkeling van de eerste virtual human. Hun onderzoek naar virtual humans wordt gedaan onder de vlag van het Europese onderzoeksconsortium CompBioMed. Dit is een wereldwijde samenwerking van ziekenhuizen, bedrijven en universiteiten.

 

In verschillende onderzoeksgroepen wordt geprobeerd om specifieke lichaamsdelen digitaal na te maken. Het Computational Science Lab en het Instituut for Advanced Study van de UvA zijn ook deel van dit onderzoeksproject. Sloot werkt vooral aan virtuele modellen van het immuunsysteem. Hoekstra specialiseerde zich in het simuleren van virtuele slagaders en het hart. Het onderzoek probeert een brug te slaan tussen de medische wereld en die van de informatica en de natuurwetenschappen.

Foto: Sanne Mariani
Peter Sloot (l) en Alfons Hoekstra (r)

Virtual humans kunnen van grote betekenis kunnen zijn in de geneeskunde, vertelt Hoekstra. ‘Je kunt ermee voorspellen welke behandeling voor jou het best is,’ vertelt Hoekstra. ‘Stel je hebt pijn op je borst en het blijkt dat je kransslagaderen zijn dichtgeslibd. Welke behandeling is dan het beste voor jou? De computersimulatie kan dan extra informatie geven voor het maken van de juiste beslissing. In de Verenigde Staten en Engeland zijn hiermee al heel goede resultaten geboekt.’

 

Hoekstra legt uit waarin de huidige geneeskunde tekortschiet. ‘Vaak wordt alles los van elkaar bestudeerd. Je kunt een hart uit een lichaam halen en onderzoeken, maar binnenin het lichaam staat het hart onder invloed van allerlei hormonen. Die hormonen worden geproduceerd door je brein, dat weer onder invloed staat van je omgeving. Wil je begrijpen hoe het lichaam werkt, dan moet je lichaamsdelen niet alleen in isolement bestuderen. Je verliest dan het inzicht in het geheel: een complex, samengesteld systeem. In een virtual human is alles verbonden.’

‘De patiënt hoeft geen proefpersoon meer te zijn voor allerlei medicijnen’

Het einde van medicijncocktails en dierproeven

‘We kunnen een hyperrealistische simulatie van het menselijk lichaam maken met behulp van een medische gegevens, natuurwetenschappen en een heleboel wiskunde en informatica,’ zegt Sloot. ‘Je genetische verschillen, je DNA, bepalen hoe de bouwstenen van je lichaam eruitzien: de eiwitten.’ Medicijnen proberen die eiwitten zo te beïnvloeden dat je beter wordt als je ziek bent. ‘Als je de werking van bepaalde medicijnen op die specifieke eiwitten kent, dan kun je het effect van medicatie virtueel nabootsen in een patiënt,’ gaat Sloot verder. Daardoor kan beter getest worden welke effecten verschillende medicijncocktails hebben.

 

Hoekstra: ‘De patiënt hoeft nu geen proefpersoon te zijn voor allerlei medicijnen, omdat er in zijn digitale dubbelganger al een voorselectie van medicatie kan worden gedaan.’ Sloot vertelt hoe dit relevant kan zijn voor onderzoek naar hiv. ‘Als je bijvoorbeeld het specifieke immuunsysteem en het hiv-virus van een bepaalde patiënt kunt nabootsen, dan kun je virtueel testen welke medicatie het beste daarop aansluit,’ legt Sloot uit. ‘Daarom krijgt de farmaceutische industrie nu ook steeds meer interesse.’ Maar het gehele immuunsysteem namaken gaat niet zonder slag of stoot, relativeert Sloot. ‘Ons immuunsysteem heeft ruim 500 miljoen jaar evolutie achter de rug; dat bouw je niet zomaar na.’

Foto: Still uit promovideo CompBioMed

Toekomst voorspellen

De virtual human kan ook helpen bij het doen van prognoses. ‘We kunnen een digitale patiënt een medicijn toedienen en dit effect over een periode van bijvoorbeeld een maand simuleren,’ vertelt Sloot. Zo kan het effect van medicatie over een bepaalde tijd worden voorspeld. Maar de toepassingen gaan verder.

 

‘Bij vrouwen komt heupbeenontkalking op latere leeftijd veel voor. In het Verenigd Koninkrijk zijn ze nu bezig met het voorspellen van het verloop van botontkalking,’ zegt Sloot. ‘Je kunt met de digitale tweeling van een vrouw op dertigjarige leeftijd voorspellen of zij op vijftigjarige leeftijd botontkalking gaat ontwikkelen. De leefstijl van die vrouw kan vervolgens op basis van deze voorspellingen worden aangepast,’ voegt Hoekstra hieraan toe. ‘Dat is de kern van preventieve gezondheidszorg: voorkomen in plaats van genezen.’

‘We hebben een privacyprobleem. In ziekenhuizen is erg veel data beschikbaar, maar we mogen die patiëntgegevens niet zomaar gebruiken’

Wat is de grens? Mogen zomaar allerlei data worden gebruikt? ‘We hebben een privacyprobleem. In ziekenhuizen is erg veel data beschikbaar, maar we mogen die patiëntgegevens niet zomaar gebruiken. Het zou mooi zijn als dat op een anonieme manier zou kunnen,’ vertelt Hoekstra. ‘Hoe meer data we hebben, hoe gedetailleerder en accurater we de digitale tweelingen kunnen maken,’ voegt Sloot toe.

 

Virtuele hartoperaties

Een geheel virtueel mens maken is erg moeilijk en kost veel tijd. Het digitale lichaamsdeel dat tot nu toe het meest geavanceerd is, is het hart. In de computer kloppen nu al virtuele harten. ‘Van hartspiercel tot aan het weefsel, tot aan de snelheid waarmee het bloed door aderen stroomt; we kunnen het allemaal simuleren,’ vertelt Hoekstra.

 

De virtuele harten bieden bovendien beslissingsondersteuning voor artsen. ‘Artsen kunnen nu al tactieken voor hartoperaties op patiënten met hartritmestoornissen van tevoren testen,’ legt Hoekstra uit. Hoekstra vond een manier om virtuele drukmetingen te doen in verstopte kransslagaderen. ‘Veel artsen doen deze drukmetingen nu niet: het is duur en invasief. In de Verenigde Staten worden drukmetingen dankzij virtual humans al virtueel gedaan en in Europa wordt deze toepassing van virtual humans in de kliniek getest,’ vertelt Hoekstra. ‘Steeds meer medisch specialisten beginnen het nut ervan in te zien. De toepassingen op de medische sector zijn immens en eindeloos.’

‘Mentale problemen zijn nog een stap te ver. Als we een zenuwcel exact zouden namaken en er miljarden aan elkaar zouden knopen, heb je nog steeds niet iets gemaakt wat lijkt op een gedachte’

Bewustzijn?

De virtual humans kunnen dus helpen bij het oplossen van fysieke problemen. Maar hoe zit het dan met mentale problemen? ‘Dat gaat even een grote stap te ver,’ lacht Sloot. ‘Een brein digitaal namaken is een van de grootste uitdagingen in dit vakgebied. Als we een zenuwcel exact zouden namaken en er miljarden aan elkaar zouden knopen, heb je nog steeds niet iets gemaakt wat lijkt op een gedachte.’ Hoekstra voegt hieraan toe dat dit soort dingen altijd in perspectief moeten worden gezien. ‘Het heeft ons 25 jaar onderzoek gekost om een virtueel hart te laten kloppen in de computer, dus wie weet wat we over 25 jaar kunnen doen,’ zegt Hoekstra.

 

‘De grootste uitdaging nu is om de invloed van de omgeving zo goed mogelijk na te maken,’ gaat Sloot verder. ‘Maar dit is ontzettend moeilijk. Luchtvervuiling, de koffie die je nu drinkt, je vrienden; alles is verbonden met elkaar en met jezelf.’ De verwachting is dat de eerste complete digitale tweeling realiteit wordt in de aankomende 5 tot 10 jaar. Maar voor die tijd is er nog veel meer onderzoek en medische data nodig, concluderen de onderzoekers.

 

Bekijk hieronder een promotievideo van CompBioMed.