I doppelgraner virtuali potrebbero un giorno rivoluzionare la medicina: i ricercatori dell’Empa stanno sviluppando un gemello digitale, che dovrebbe facilitare lo sviluppo di terapie personalizzate. L’obiettivo è che questi avatar dimostrino come un diabetico può essere trattato individualmente. In tal modo, il gemello digitale consente anche una prognosi personalizzata per il processo di trattamento.
Gli umani sono sorprendentemente individuali. Siamo molto diversi nelle nostre abitudini alimentari o nei nostri gusti cinematografici. Quando si parla di malattie, tuttavia, verrebbe perdonato il fatto di pensare che siamo tutti uguali. C’è un antidolorifico per tutti, per il trattamento di mal di testa o una iniezioni d’insulina per tutti i diabetici. Ma oggi la medicina moderna sa che questo non è strettamente vero ed ha coniato il termine “medicina personalizzata”. A seconda dell’età, dello stile di vita o del patrimonio genetico, una persona risponde in modo molto diverso a certe terapie. E poiché gli esseri umani sono un sistema vivente che cambia le sue abitudini, va in vacanza o improvvisamente gli viene un raffreddore, i trattamenti medici devono essere estremamente flessibili.
È qui che entra in gioco l’idea di un doppelganger virtuale, alimentato in tempo reale dai dati fisiologici del paziente reale. Questo avatar medico potrebbe un giorno rivoluzionare la medicina. I ricercatori di Empa stanno già sviluppando un gemello digitale della pelle, che dovrebbe consentire ai pazienti affetti da dolore e ai diabetici di essere trattati in modo ottimale. “Utilizzando un doppelganger in silico, siamo in grado di rispondere ai singoli pazienti in modo molto più preciso”, spiega Thijs Defraeye del laboratorio “Biomimetic Membrane and Textiles” di Empa a San Gallo, Svizzera.
Il progetto appena lanciato è finanziato dalla Novartis Research Foundation e dal Competence Center for Materials Science and Technology (CCMX). L’obiettivo è somministrare farmaci come analgesici e insulina attraverso la pelle utilizzando fibre e membrane intelligenti mentre i sensori misurano simultaneamente i segni vitali del paziente. Sulla base dei dati, il gemello digitale fa previsioni sul dosaggio individuale e controlla il successo del trattamento. Con lo stesso principio, nella fase successiva il doppelganger potrebbe essere usato per monitorare il progresso di guarigione di ferite in essere. Con questo in mente, i ricercatori di Empa hanno già ideato una benda intelligente con un sensore integrato.
Defraeye e il suo team stanno cercando di unire due campi di ricerca innovativi per lo sviluppo dei gemelli digitali: la somministrazione di farmaci non invasivi attraverso la pelle mediante una benda transdermica e il controllo e la previsione del ciclo di trattamento mediante la modellazione in tempo reale. In questo senso, è particolarmente acuto poiché la pelle, il nostro organo più grande, offre un’ampia superficie adatta a convogliare sostanze nel corpo fino a una certa dimensione molecolare. Tuttavia, il dosaggio con gli intonaci terapeutici convenzionali è praticamente incontrollabile poiché alcuni degli agenti attivi possono ancora essere rilasciati dagli strati della pelle e penetrare nel corpo, anche se l’intonaco è stato rimosso da tempo. Sistemi attuali, che forniscono feedback misurando il livello di farmaco nel sangue del paziente, ad esempio, può solo determinare se il dosaggio potrebbe essere stato troppo alto o basso in retrospettiva; le previsioni sull’effettiva necessità di farmaci sono ancora pie in the sky.
Nutrire il gemello con i dati
Un gemello digitale alimentato con dati provenienti da sensori non invasivi collegati alla pelle, al contrario, consente il dosaggio preciso e personalizzato degli agenti attivi. La modellizzazione al computer del doppelganger digitale influenza anche le caratteristiche della pelle del paziente. Dopo tutto, l’agente attivo sarà assorbito in modo diverso a seconda di dove l’intonaco è attaccato al corpo o se il farmaco è somministrato ad un atleta abbronzato, una donna anziana con la pelle chiara, fragile o un neonato dalla pelle morbida. Quindi il dosaggio del farmaco può essere controllato con precisione grazie ad un tasso di espulsione dal bendaggio personalizzato, dipendente dal tempo, poiché il sistema guarda al futuro, non al passato. “Come ulteriore vantaggio, ci aspettiamo di essere in grado di ridurre il dosaggio degli antidolorifici, ad esempio, a tal punto che al paziente venga fornita la giusta quantità”
In altri campi di ricerca, i rappresentanti virtuali sono stati un tema caldo sin dalla missione Apollo 13 della NASA. I Doppelganger sono stati usati in simulazioni per riportare l’equipaggio dell’astronave in salvo sulla Terra. Oggi esistono gemelli digitali nella progettazione di aeromobili, nella produzione di veicoli e nella manutenzione di edifici, ad esempio. “In medicina, la gente sogna di completare in doppelgranal silico, che predica come una persona invecchierà o come un’articolazione artificiale si usurerà nel corpo”, dice Defraeye. Tuttavia, siamo ancora lontani dal farla diventare realtà. Il nuovo sistema costituito da intonaci intelligenti e simulazioni in tempo reale è, quindi, un passaggio cruciale in un’area ancora poco ricercata con un potenziale enorme, spiega il ricercatore Empa.
Per lo sviluppo del gemello digitale nel settore sanitario, Defraeye ha ottenuto risultati di ricerca di successo : Nel settore della tecnologia alimentare, ha già sviluppato gemelli digitali di diversi frutti nell’ambito di un progetto in corso finanziato dalla Swiss National Science Foundation ( FNS). Al fine di monitorare la catena di raffreddamento dal produttore al rivenditore in tempo reale e poterlo controllare in futuro, il ricercatore ha realizzato gemelli biofisici di mele, mango e altri frutti che si comportano esattamente allo stesso modo delle loro controparti naturali nelle proprietà termiche e che agiscono da sensori. La corrispondente “spia della frutta” accompagna i veri frutti nel suo viaggio verso il supermercato e trasmette i dati al gemello digitale, che ad esempio regola il raffreddamento del camion, in questo caso,
Per l’avatar del trattamento transdermico, i ricercatori dell’Empa programmeranno un complesso modello multifisico della pelle, che viene alimentato con i dati dei sensori epidermici. I gemelli biofisici della persona, manichini doppiati, sono usati come aiutanti per lo sviluppo dei sensori. Sulla base delle informazioni dei manichini coperti da sensori, è possibile stimare i valori fisiologici e le reazioni di un paziente reale, come i cambiamenti nella temperatura della pelle o velocità di traspirazione. I manichini e un modello computerizzato collegato sono già un sistema consolidato in Empa per simulare le risposte fisiologiche umane. Il sistema verrà ora utilizzato per impostare i doppelgraner digitali digitali molto più complessi, che sono governati da un vasto numero di variabili. “Dopotutto, non solo il gemello virtuale deve rispondere ai cambiamenti, ma deve anche prevedere il dosaggio dei farmaci in modo sicuro e individuale”, afferma Defraeye.