I dag utvikler forskere nye medisiner og utstyr til klinikken gjennom å teste dem på dyr og på donerte organer. Mer nylig tester de også på vev dyrket fram i laben fra stamceller. Dette er en lang og kostbar prosess.

Stamceller er utgangspunktet for alle kroppens celler og vev. De er også ansvarlige for vedlikehold og reparasjon av skade på vev i kroppen.

Men forskere jobber med en løsning. Ved å simulere menneskehjerter i avanserte datasystemer kan de fremskynde utviklingen av medisinske løsninger og videre bruk av datamodeller i klinikkene.

– Jeg ser for meg en fremtid der folk har tilgang til personlige modeller av hjertene sine og andre organer. Da kan de overvåke sin egen helse og oppdage problemer når de oppstår, sier Hermenegild Arevalo.

Han er sjefforsker ved norske Simula og har en bakgrunn fra biologi og datamodellering. Dette gjør han til en ekspert i å oversette svært komplekse biologiske prosesser til matematiske ligninger. Disse kan datamaskiner forstå og løse.

Arevalo er en del av et europeisk prosjekt hvor de har utviklet disse virtuelle hjertene. De er nå blant annet i i gang med å dokumentere og bekrefte systemet. De skal vise at det er trygt og kan brukes i medisinsk utstyr og for testing av medikamenter.

Fra bygninger til hjerter

Datamodeller brukes allerede i mange deler av våre liv. For eksempel brukes det for å teste bygninger og biler for stress før de bygges. Arevalo mener det bare er et spørsmål om tid før vi tar i bruk den samme tilnærmingen i klinikkene. Det er det de jobber for.

– Men menneskekroppens fysikk er mye mer kompleks enn bygninger. Det krever enorme mengder pasientdata for å trene modeller som kan gjenskape virkeligheten og forutsi hva som vil skje.

De simulerte hjertene trenes på pasientdata og eksperimentell data på cellenivå. Ofte skjer dette med vev dyrket fram i laboratoriet fra stamceller. De danner grunnlaget for en virtuell populasjon hvis individuelle behov kan være bedre tilpasset.

Inkludere de underrepresenterte

– En virtuell populasjon som dette kan alltid bygges videre på. Vi vil fortsette å trene modellene på mer og mer data fra kliniske tester.

En annen fordel med virtuelle populasjoner er at man kan utføre tester på deler av befolkningen som tidligere har vært underrepresentert.

– En av de største utfordringene med kliniske tester i dag er at deler av befolkningen blir ekskludert fra testingen.

Dermed blir heller ikke de medisinske løsningene tilpasset disse gruppene.

– For eksempel gravide kvinner. De blir ikke tatt med i tester fordi det kan utgjøre en fare for dem.

Med virtuelle hjerter kan man imidlertid gjennomføre disse testene på hjerter som har samme egenskaper som gravide. Det kan for eksempel være forhøyet blodvolum.

Hvordan fungerer det i praksis?

De simulerte hjertene er 3D-modeller på en datamaskin. De er implementert i en plattform for bruk av industrien. Modellene er utformet slik at de omfatter modellering av hjertets mekanismer, elektrofysiske egenskaper og væsken i hjertet.

For å demonstrere hvordan de simulerte hjertene kan bidra i utviklingen, har de blitt testet i reelle anvendelsesområder. Arevalo og hans forskningsgruppe har spilt en sentral rolle i to av disse.

Optimal plassering av fremmedlegemer

Den første handler om et type hjerneslag. Det kan oppstå av problemer i det man kaller venstre atrievedheng i hjertet. Dette er en slags pose på venstre forkammer i hjertene våre. Den har ingen funksjon, men blod kan strømme inn og danne propper i denne posen.

– Dette kan være veldig farlig. Blodproppen kan løsne fra veggen, gå inn i blodstrømmen og forårsake et hjerneslag.

For å forhindre blodtilførselen blir ofte et apparat implantert for å blokkere området. Men når fremmedlegemer blir plassert i hjertet, dannes det ofte vev rundt det. Disse vevene kan igjen løsne og forårsake et slag.

Arevalo og hans team har funnet den optimale plasseringen av dette apparatet, som forhindrer dannelsen av vev. Og dette har de gjort ved å bruke de virtuelle hjertene.

– Med disse kan vi teste forskjellige plasseringer og geometrier for enheten, avhengig av pasientens spesifikke form på deres venstre atrievedheng.

Dette gjøres i samarbeid med industripartnere som utvikler det medisinsk utstyret, MicroPort og Boston Scientific.

Testing av medisiner

Det andre bruksområdet involverer testing av nye medisiner. Det er for å vurdere hvor trygge og effektive de er og hvordan de vil fungere basert på individuelle karakteristikker på pasienter.

– Et av de største problemene med utvikling av medisiner er at mange av dem kan ha kritiske bivirkninger for hjertet. Potensielt kan de forårsake forstyrrelser i hjerterytmen.

Alle legemiddelfirmaer må teste dette. Flertallet av medisiner kommer ikke på markedet fordi de ikke består testen. Disse forsøkene blir vanligvis utført på dyr. Det gjør dem mindre humane og svært kostbare.

Med de nye virtuelle hjertene kan disse testene utføres på realistisk menneskevev. De kan også ta hensyn til karakteristikker ved pasienten som alder og kjønn, samt sunne og patologiske forhold.

– Dette gjør det også mye billigere og mer humant.

Når forskerne skal teste medisiner på en datamodell, bruker de først eksperimentelle data. De er fra prosessen med å utvikle medisinen. De sier noe om hvordan medisinen påvirker en enkelt celle i hjertet.

– Vi bruker dataene på våre 3D-modeller av hjertet. Det gir innsikt i hvordan endringene som skjer på cellenivå, kan manifestere seg i hele hjertet.

Om prosjektet

SimCardioTest er et europeisk forskningsprosjekt som startet opp i 2020. Det er finansiert med åtte millioner euro. Det ledes av det franske forskningsinstituttet Inria og har totalt ti samarbeidspartnere, inkludert norske Simula Research Laboratory. Prosjektet avsluttes i 2024. Målet med prosjektet er å fremskynde bruken av digital simulering for design av hjertemedisiner og medisinsk utstyr.

Artikkelen er produsert og finansiert av Simula Research Laboratory

Simula Research Laboratory er én av over 80 eiere av forskning.no. Deres kommunikasjonsansatte leverer innhold til forskning.no. Vi merker dette innholdet for å tydelig skille formidling fra uavhengig redaksjonelt stoff. Her kan du lese mer om ordningen.

Les også disse sakene fra Simula Research Laboratory:

• 

  Hva skjer bak kulissene for å holde dataene dine trygge?

• 

  Nye data kan kanskje forutse hvor godt en fotball­spiller kommer til å gjøre det i neste kamp

• 

  Virtuell virkelighet lærer politi og barnevern å intervjue barn

• 

  Under pandemien: Menn med lav utdanning stolte mindre på informasjonen fra myndighetene

• 

  Vil stimulere formidlingen

Les flere saker laget av Simula Research Laboratory her.

forskning.no vil gjerne høre fra deg!

Har du en tilbakemelding, spørsmål, ros eller kritikk? TA KONTAKT HER