Digitalni blizanac bi mogao doneti revoluciju u buduće hirurške operacije

Live Science je razgovarao sa dr Džonom Pandolfinom, istraživačem koji je dizajnirao "digitalnog blizanca" kako bi pomogao u usmeravanju hirurške operacije.

Pandolfino se šali da potiče iz duge linije električara i vodoinstalatera — i da je kao gastroenterolog ostao u porodičnom poslu. To je zato što je jednjak, organ koji prenosi hranu iz usta u želudac, u osnovi cev sa nekim električnim žicama, rekao je on.

Preporučujemo

Pandolfino je načelnik gastroenterologije i hepatologije i direktor Instituta za digestivno zdravlje u medicinskom sistemu Severozapadnog univerziteta u Čikagu. Počeo je da koristi "digitalne blizance" radi modeliranja kako će individualni pacijenti sa poremećajem gutanja reagovati na operaciju zvanu miotomija, koja se koristi za rezanje jednjaka.

U najfuturističkijim konceptima digitalnog blizanca, lekari bi kombinovali skoro identične anatomske kopije tela individue sa biopodacima u cilju preporuke visokopersonalizovanih tretmana ili procedura.

Digitalni blizanci koje je razvio Pandolfinov tim nisu baš toliko napredni: koriste dimenzionalno tačne virtuelne modele za reprokukciju pritiska i kretanja jednjaka. Nedavno je počelo kliničko ispitivanje sa 400 ljudi koje da bi se videlo da li će upotreba ovih virtuelnih klonova prilikom operacije rezultirati boljim ishodima za pacijente.

Pandolfino je pričao o budućnosti digitalnih blizanaca, da li bi mogli smanjiti testiranje na životinjama i kako bi se mogli koristiti u pogledu drugih organa, poput srca i bešike.

Digitalni blizanac se koristi kod stanja zvanog ahalazija. Glavni zadatak jednjaka je da potiskuje stvari u vaš želudac kad uđu u jednjak. A kad se nešto vrati, jednjak to takođe mora gurnuti dole kako bi vas zaštitio od aspiracije i ulaska u pluća.

Ono što se dešava kod ahalazije jeste da se donji ezofagusni sfinkter, neka vrsta barijere koja razdvaja jednjak i želudac, ne otvara. Ne opušta se. Kad se taj mišić ne opusti i ne otvori, hrana se nakuplja u jednjaku i bukvalno se skoro počnete daviti vlastitom pljuvačkom i hranom. Dakle, to može biti smrtonosna bolest.

„Primetili smo nakon tretiranja pacijenata da oni razvijaju slabljenje i obrazovanje balončića na zidu“, rekao je Pandolfino. „Nismo baš razumeli zašto se to dešava. Zato smo pitali matematički model, virtuelni jednjak. Zapravo smo mu dali gomilu opcija – promenili smo mnogo varijabli“.

Trebalo je nekoliko meseci treninga i da se izvedu milioni scenarija. Na kraju je model zapravo predvideo koja operacija bi bila najbolja, kao i koji pacijenti bi bili u najvećoj opasnosti od komplikacija.

Pažnja je usredsređena na dva različita tipa operacije: standardni pristup i onaj koji je modifikovan virtuelnim jednjakom. Istraživači veruju da će kod novog pristupa biti manje refluksa i manje ispupčenja.

Ovo ne izgleda baš kao regularan digitalni blizanac, kad se integrišu sve ključne hemikalije i signalni procesi, sve mehaničke sile i svi podaci u realnom vremenu od nosivih uređaja i medicinskog snimanja.

Pandolfino smatra da je pristup u mehaničkom smislu već prilično dobar. Što se tiče ulaska u molekularnu strukturu i aktin (mišic´na vlakna), načina na koji mišići kontrahuju i influksa kalcijuma, misli da su vrlo daleko. „Tek smo naučili kako se proteini savijaju - razvijanje matematičkog modela ćelije će zahtevati prilično mnogo vremena“.

Pandolfino kaže da je pristup mehanički izvodljiv, a sjajno je što se može primeniti na sve organske sisteme — bešiku, aortu, levu komoru – gde se radi o mehanici transporta.

Dakle, ovo je uglavnom za sisteme tipa pumpa-cev i za hirurške operacije. Da li to ima prognostičku ili dijagnostičku vrednost? Prognostička vrednost je sigurna jer ćete doći do tačke kad možete imati scenarije u kojima lekovi više neće imati efekta, kaže Pandolfino.

Sugerisano je da bi se digitalni blizanac mogao koristiti da zameni neka istraživanja na životinjama i podatke iz kliničkih ispitivanja.

Ako posmatrate operacije, ne biste morali to raditi na životinjama. To biste radili na simulaciji da vidite kakvi su efekti, a onda biste mogli zapravo preći s toga na različite promene kod ljudi. Upravo je tako virtuelni jednjak dokazao ono što smo mislili da je verovatno pravi način, rekao je Pandolfino. Dakle, matematički je dokazao našu hipotezu i sad prelazimo na ispitivanje na ljudima.

Međutim, većina istraživanja na životinjama je fokusirana na testiranje novih jedinjenja koja bi mogla imati terapeutski potencijal.

„Te studije daju mišu 50 puta veću dozu nego što bi dobio čovek. Mislim da tehnologija digitalnog blizanca neće uticati na to. Ono što će učiniti je da će nas odaljiti od korišćenja životinja za operacije“, kaže Pandolfino.

„Pored toga, mislim da će nas ovo dovesti do oblasti gde ćemo moći da stvaramo mnogo bolje modele za simulaciju. Tako ćemo mnogo više razumeti materijalne osobine organa, kako reaguju na stres i naprezanje, i razviti simulacije koje rade ne samo u virtuelnom svetu, već zapravo imaju taktilne blizance. Dakle, nešto što je zaista napravljeno od materijala koji simulira jednjak ili simulira organ skoro savršeno, tako da kad ga sečete osećaj bude isti“.

Mnogo toga se može naučiti iz razumevanja jednog dela ljudske anatomije i funkcije, pošto telo ne pronalazi potpuno različite načine da radi stvari. Ponavlja ih i samo ih možda čini većim ili manjim, koristeći malo drugačiju dužinu.

Organi poput bešike i srca svi rade prilično slično. Imaju cev sa izvesnom kontrakcijom. Postoje sfinkteri koji se otvaraju i zatvaraju. Ako čak pogledate ezofagastrični spoj, zalistak koji je na antirefluksnoj barijeri vrlo je sličan anorektalnom spoju gde se dešava pražnjenje creva. Ako pogledate fiziologiju pražnjenje creva i kako gutate i štitite se od refluksa, to je samo obrnuto, kaže Pandolfino.

Priroda se samo kopira. Dakle, ima li ovo mnogo više primenljivosti širom tela? Da, čak i u jednjaku, smatra Pandolfino. Refluksna gorušica pogađa otpilike petinu populacije. I refluks nije pitanje previše kiseline. Većina ljudi sa refluksom ima normalnu kiselinu.

„To je više pitanje anatomije i fiziologije. Dakle, naš pristup će nam, nadamo se, omogućiti da modifikujemo mnoge operacije koje se rade zbog refluksa i čak možda pomoći u stvaranju manje invazivnih pristupa koji funkcionišu. Dakle, samo u gastrointestinalnom traktu uopšte imaće mnogo veću primenu“.

Čak i kod ljudi koji imaju probleme sa bešikom, previše aktivnu bešiku ili možda nedovoljno aktivnu bešiku, kako to proceniti u pogledu protoka i pražnjenja bešike? Slično je kod aneurizmi aorte. Aneurizma aorte je u osnovi proširenje. To je samo promena u anatomiji povezana sa pritiskom, kad se ona u suštini ispupči. A kad se ispupči, gubi svoju funkciju i onda se krv ne pumpa ispravno.

(Telegraf Nauka/Live Science)