Il gemello virtuale non solo ha la funzione di ricostruire il modello 3D di un corpo umano e dei suoi complessi sistemi, ma può contenere anche il codice genetico e altri biomarcatori fondamentali, creando così una rappresentazione olistica che integri tutti gli aspetti della salute di un individuo, allineati alla sua storia clinica e alle esposizioni ambientali. Con il progredire del livello di comprensione della biologia, della fisiologia, della biomeccanica e della farmacologia, i gemelli virtuali saranno destinati a diventare una tecnologia sempre più precisa, prevedibile e utilizzabile. Per consentire la cura giusta per il paziente giusto al momento giusto.
Digital Twin in medicina, vantaggi per tutti o aumento del “divide sanitario”?
Medicina di precisione: la Sanità a un bivio
La medicina di precisione permette di personalizzare le terapie facendo leva su dati e tecnologie all’avanguardia e su percorsi di diagnosi e cura basati sul profilo specifico del paziente. I risultati di questo approccio potrebbero aiutare a ridurre la spesa sanitaria nazionale limitando il ricorso a terapie non necessarie. Nonostante questo, la medicina personalizzata stenta ad affermarsi perché la complessità degli elementi complessi e l’accesso limitato a tecnologie di frontiera su larga scala rappresentano un freno.
Oggi, però, la sanità si trova davanti ad un bivio: superare il modello generico per aprire la strada a un paradigma medico più evoluto. Le sole evidenze cliniche non sono più sufficienti per catturare l’unicità di ciascun paziente e tener traccia delle condizioni croniche individuali.
Un nuovo livello di assistenza sanitaria può essere raggiunto con la creazione di un sistema medico digitale che fornisca una visione dettagliata dell’anatomia, della biologia e della storia clinica di ogni paziente, tenendo in considerazione tutto ciò che è noto circa la sua condizione. Il sistema deve collegare le conoscenze acquisite dalla ricerca con le intuizioni derivanti dall’osservazione diretta del paziente, riducendo la distanza tra i due approcci.
Il concetto di medicina di precisione si basa sulla crescente capacità di acquisire un’ampia gamma di dati del singolo individuo e fornirli allo staff medico attraverso la visione unificata di un “gemello virtuale” del corpo umano, che integri tutte le informazioni sulla salute del paziente, ha la capacità di fornire. Realizzato con un software conforme ai principi scientifici conosciuti, il gemello virtuale può servire come modello “vivente” dinamico completo, bilanciato da informazioni provenienti dal mondo reale, in grado di abilitare nuovi approcci alla diagnosi, alla prognosi e ai trattamenti.
Un progresso in linea con l’obiettivo di superare i limiti dell’attuale approccio per avviare un nuovo modello di sanità digitale incentrata sul paziente, replicando lo stesso percorso intrapreso dal settore industriale nell’utilizzo dei gemelli virtuali per la produzione.
Creare il gemello virtuale del corpo umano
Il corpo umano è il risultato di una continua evoluzione. Nonostante l’ambiente esterno continui a mutare, le funzioni di base non sono cambiate e l’”architettura” rimane composta da elementi e molecole strutturati in organi, cellule e tessuti che svolgono funzioni fisiologiche.
A differenza delle macchine artificiali, controllate e basate su un modello di progettazione, nel caso del corpo umano non c’è alcun diagramma funzionale da consultare per dedurre le relazioni causa-effetto al verificarsi di un problema. Ciò che comprendiamo è in gran parte il risultato della scomposizione di sistemi complessi in parti più piccole e funzionali e dell’analisi del loro comportamento con il metodo prova-errore. Conoscenze che ci hanno permesso di fare incredibili progressi in campo medico. Tuttavia, oggi, abbiamo raggiunto i limiti degli approcci tradizionali e ci troviamo a dover affrontare nuovi ostacoli per perseguire un livello sempre più elevato di comprensione.
Ma quanto comprendiamo del corpo umano? La tecnologia ci ha aiutato a fare passi da gigante e continua ad aprire la strada a infinite possibilità. I dati medici vengono raccolti ad una velocità senza precedenti, rivelando migliaia di indizi, ma ogni indizio ha un valore limitato se manca il contesto. Una rappresentazione virtuale del corpo umano può contribuire a colmare le lacune della conoscenza, sviluppare modelli per interpretare, correlare, aggregare nuovi dati e indirizzare meglio la ricerca. Ma soprattutto può consentire di trovare l’approccio ottimale per ogni persona tenendo in considerazione l’unicità e la storia del singolo individuo.
Realizzare la medicina di precisione è la principale sfida per l’assistenza sanitaria del ventunesimo secolo, ed è anche l’ambizione del progetto Living Heart al quale contribuisce anche Dassault Systèmes.
Living Heart Project: un modello di riferimento
Nato nel 2014, il progetto Living Heart vede la collaborazione fra esperti cardiovascolari di tutto il mondo, provenienti dall’ambito accademico, della ricerca e della sperimentazione clinica, i quali, mettendo a fattor comune le loro conoscenze grazie all’utilizzo di tecnologie all’avanguardia che hanno permesso il massimo livello di condivisione e connessione, hanno creato un modello 3D completamente funzionante del cuore umano.
L’esperimento, realizzato per combinare e correlare le informazioni da fonti diverse, ha avuto successo. Il gruppo di lavoro ha pubblicato i risultati della creazione di un gemello virtuale completo di un cuore umano costruito sulla base della comprensione del tessuto cardiaco, della struttura e dell’elettrofisiologia, e completamente adattabile, dunque in grado di imitare un singolo individuo o una popolazione di individui. Questo modello medico virtuale è ora utilizzato nel mondo e consente di identificare malattie cardiache strutturali ed emodinamiche. Ogni volta che viene utilizzato, i nuovi punti di forza e debolezza individuati nel modello vengono poi pubblicati; questo incoraggia nuovi esperti a partecipare al progetto e consente di migliorare ulteriormente l’apprendimento e lo sviluppo della tecnologia utilizzata.
Il Living Heart Project ha dimostrato anche come, sulla base dell’esperienza maturata dai medici coinvolti, biologi computazionali e ingegneri biomedici riescano a replicare il processo iterativo necessario per produrre organi funzionali nel mondo virtuale. Il progetto ha fornito un modello di riferimento di un cuore pulsante in grado di riprodurre qualsiasi condizione cardiovascolare e consentire così di testare e sperimentare in totale sicurezza diverse possibilità di intervento e cura. Trattandosi di un modello virtuale, può essere consultato, condiviso e visualizzato per raccontare la storia completa della sua funzione e dei probabili risultati. Grazie all’utilizzo di una piattaforma di riferimento aperta, i dettagli tecnici e le conoscenze che in passato erano frammentate e isolate, oggi sono centralizzati, fruibili e condivisibili. Si tratta di qualcosa che va ben oltre un “semplice” modello computazionale, il progetto LHP rappresenta la nascita del gemello virtuale del corpo umano.
L’esperienza in 3D consente di estendere in sicurezza i confini dell’innovazione e dell’apprendimento. Grazie alla tecnologia del gemello virtuale in 3D è possibile testare e simulare diversi scenari al fine di ridurre al minimo gli impatti indesiderati.
Ricostruendo il cuore di un paziente in 3D, i medici possono sperimentare virtualmente esami diagnostici e trattamenti invasivi tenendo in considerazione l’anatomia del paziente specifico, come ad esempio testare la differenza di pressione in una stenosi da sostituire, o verificare l’impatto di diverse soluzioni d’intervento sulla base di un’analisi completa del flusso sanguigno dell’intero sistema vascolare coronarico della persona in cura. Le informazioni e i dati generati da queste simulazioni non solo aiutano a individuare il trattamento più adatto, ma consentirebbero anche di ridurre i tassi di ospedalizzazione e decesso.
Sebbene ancora poco diffusi, i gemelli virtuali del cuore hanno già dimostrato la loro efficacia in Europa e negli Stati Uniti – e sono in fase di sviluppo in Asia – creando comunità online per condividere le migliori pratiche, offrendo ai medici di tutto il mondo l’opportunità di apprendere rapidamente da ciò che i massimi esperti nel loro campo hanno sperimentato, aiutando ad affrontare i casi più difficili e definire con successo protocolli, e consentendo di testare soluzioni e tecniche chirurgiche fino a prevederne i risultati.
L’utilizzo dei gemelli virtuali rappresenta il futuro della medicina di precisione, in cui ogni paziente è una coorte unica. Anche in termini economici il vantaggio sarebbe considerevole, basti pensare che le malattie cardiache e gli ictus costano, a livello globale, più di 3 miliardi di dollari al giorno.
Il passo successivo: il gemello virtuale del cervello
La realizzazione del gemello virtuale del cuore ha aperto la strada alla creazione di modelli di altri organi e sistemi del corpo umano, come ad esempio il cervello. Ne è un esempio il progetto Living Brain.
Il gemello virtuale del cervello può offrire grandi possibilità nel campo della neurologia. fornendo una guida fondamentale per interventi meccanici o elettrofisiologici e, in futuro, anche a livello della funzione cerebrale stessa.
Utilizzando immagini di alta qualità, le ricostruzioni 3D possono riprodurre in modo affidabile la struttura fisica della testa, del collo e del cervello. Le strutture rigide (cranio, vertebra) sono le più accurate, ma è necessaria anche la visualizzazione di tessuti molli (materia grigia, fibre di materia bianca) e fluidi (ventricoli, liquido cerebrospinale) per ottenere una comprensione completa della struttura del cervello.
Il modello virtuale del cervello deve comprendere sia l’anatomia fisica che l’attività comportamentale, definita dal flusso di corrente elettrica. Un gemello virtuale può fornire la capacità di comprensione del cervello nel corso di diverse esperienze, ricreando ciò che avviene a livello celebrale durante attività quali lo sport, gli incidenti automobilistici, gli infortuni sul lavoro o le crisi epilettiche. Inoltre, può aiutare a prevedere meglio lo sviluppo e l’impatto nel caso di lesioni cerebrali. Più sarà possibile monitorare la salute fisica del cervello, maggiore sarà la comprensione e previsione dei cambiamenti comportamentali, o la capacità di definire trattamenti anche quando la causa è apparentemente sconosciuta.
Un gemello virtuale può anche fornire informazioni in modo convenzionale e talvolta più affidabili di quelle che potrebbe riportare il paziente stesso, permettendo di ottenere un quadro preciso e puntuale.
Lo sviluppo di una migliore comprensione del layout strutturale 3D del cervello potrebbe inoltre aiutare a identificare lo sviluppo precoce di una malattia neurodegenerativa: misurando il volume delle regioni cerebrali corticali o subcorticali nel corso degli anni, i medici avranno un punto di riferimento per comprendere il connettoma del singolo paziente, una mappa completa delle connessioni neurali nel cervello.
La conoscenza di questi indicatori principali resa possibile grazie al gemello virtuale potrebbe non solo incoraggiare i pazienti a cercare assistenza precocemente, ma anche aiutare medici e specialisti a selezionare il miglior piano di assistenza e trattamento per il caso specifico. Se gestiti correttamente, i gemelli virtuali del cervello possono diventare un punto di riferimento essenziale per il settore e per lo sviluppo di diagnosi e cure nuove e sempre più mirate.
Un’applicazione interessante del gemello virtuale del cervello è quella nell’ambito della diagnosi e della cura dell’epilessia. Nei casi in cui la chirurgia cerebrale può rappresentare una soluzione efficace, il gemello virtuale del paziente può aiutare a identificare con la massima precisione l’area responsabile delle convulsioni e ad asportarla con accuratezza, preservando la funzionalità delle aree cerebrali circostanti. Oltre ad aumentare il tasso di successo degli interventi chirurgici, i dati della sperimentazione clinica del gemello virtuale in questo campo possono convalidarne il valore aggiunto in termini di supporto decisionale in ambito chirurgico e indicarne i miglioramenti. Il programma EPINOV, all’interno del progetto Living Brain, rappresenta una partnership di successo tra pubblico-privato, coordinata dall’Università di Aix-Marseille, nata con l’obiettivo di migliorare la gestione e la prognosi della chirurgia dell’epilessia attraverso la sperimentazione del gemello virtuale.
Nuovi orizzonti si aprono
Grazie ai successi e alle conoscenze acquisite con l’utilizzo del mondo virtuale per la diagnosi e la cura di organi come cuore e il cervello, sono attualmente in corso anche studi e sperimentazioni nell’ambito dell’uso dei gemelli virtuali per la diagnosi di patologie e la cura di altre parti del corpo umano, come l’intestino e la pelle, e nel settore dello sviluppo di farmaci. Nuovi orizzonti si aprono per la medicina di precisione e la sanità digitale.
