USI und Cardiocentro

Ein "digitaler Zwilling" des Herzens: personalisierte Diagnosen und Behandlungen mithilfe der Mathematik

Mit komplexen Algorithmen und der Hilfe von Supercomputern ist es möglich, die Wirkung von Krankheiten und Medikamenten zu simulieren. Interview mit Angelo Auricchio, Mitdirektor des Zentrums für Computermedizin in der Kardiologie

von Elisa Buson

Das Herz der Tessinerinnen und Tessiner hat die besten Chancen, um lange und gesund zu schlagen. Daran besteht kein Zweifel, wenn dies von einem international anerkannten Kardiologen gesagt wird, der sich beruflich mit den Zahlen in diesem Zusammenhang beschäftigt. Die Rede ist von Angelo Auricchio, gebürtiger Neapolitaner, Wahltessiner und stellvertretender Primar der Kardiologie am Istituto Cardiocentro Ticino sowie wissenschaftlicher Referent der Fondazione Ticino Cuore. Nach seinem Medizinstudium im Schatten des Vesuvs erhielt er in den 1980er Jahren ein Stipendium im Bereich der Elektrophysiologie, das ihn nach Deutschland führte. Danach sammelte er Erfahrungen in Rom und Belgien und kam schliesslich 2006 nach Lugano, wo er 2014 zu den Begründern des innovativen Zentrums für Computermedizin in der Kardiologie (CCMC) zählte, dessen Mitdirektor er heute ist, und das vom Cardiocentro und der Universität der italienischen Schweiz (USI) ins Leben gerufen wurde: eines der fortschrittlichsten Institute in Europa, das in der Fakultät für Informatik auf dem Ostcampus von Lugano untergebracht ist und in dem Medizin und Mathematik zusammenkommen, um einen “ virtuellen Zwilling” des menschlichen Herzens zu erschaffen, an dem zunehmend personalisierte Therapien untersucht werden.

Wie ist die Idee des Zentrums für Computermedizin entstanden?

«Zahlen und Informatik», antwortet Auricchio, «waren schon immer meine Leidenschaft seit ich ein kleiner Junge war: Bevor ich mich für ein Medizinstudium einschrieb, hatte ich sogar versucht, Biomedizintechnik zu studieren. Als ich dann als Kardiologe und klinischer Forscher in Deutschland zu arbeiten begann, kam ich in Kontakt mit der elektromedizinischen Industrie, die sich mit Defibrillatoren und Herzschrittmachern befasst: Für mich war das wie eine Rückkehr zu meinen Wurzeln, die es mir ermöglichte, mein Interesse für Medizin mit dem für Technik zu verbinden. Die Gelegenheit, dieses Interesse zu vertiefen, bot sich dann an der USI dank eines Treffens, das der damalige Rektor Piero Martinoli mit dem Dekan der Fakultät für Informatik, Medhi Jazayeri, organisiert hatte: Bei diesem informellen Gespräch sprachen wir über die möglichen Anwendungen der Informatik in der Medizin. Er erzählte mir, dass bald Professor Rolf Krause, ein brillanter Mathematiker mit einem Profil, das zu der Art von klinischer Forschung passt, die ich betreiben wollte, an die USI kommen würde. Und in der Tat, zu Krause hatte ich sofort ein gutes Verhältnis. Wir begannen zusammenzuarbeiten, und so entstand die Idee, ein Zentrum zu gründen, das als Brücke zwischen angewandter Informatik und Kardiologie fungieren konnte. Vor etwa fünfzehn Jahren gab es weltweit nur wenige Zentren für Computermedizin, meist in Nordeuropa und in den Vereinigten Staaten. Wir dachten, dass die Eröffnung eines solchen Zentrums in Lugano eine einmalige Chance für die Universität, aber auch für die Patienten wäre. Also begannen wir mit der Suche nach Finanzierungsmöglichkeiten, die damals hauptsächlich von privaten Institutionen kamen».

Dem Zentrum gehören inzwischen ein Dutzend Experten an, darunter Ärzte, Informatiker und Mathematiker: Worin genau besteht denn Ihre Arbeit?

«Im Grunde übersetzen wir das, was im menschlichen Körper passiert, in Zahlen und Gleichungen. Das Herz ist letztendlich nichts anderes als eine Pumpe, die sich durch elektrische Ladungen kontrahiert, die in die Herzzellen ein- und aus ihnen austreten und dabei genauen physikalischen Gesetzen folgen. Wir beschreiben das, was in jeder einzelnen Zelle passiert, durch mathematische Gleichungen. Das ist äusserst komplex, denn jeder Herzschlag ist das Ergebnis der Kontraktion von Milliarden von Zellen, die ständig ihren Zustand ändern. Um diese Gleichungen schnell zu lösen, reichen einfache Computer nicht aus: Es werden Maschinen mit hoher Rechenleistung benötigt. Glücklicherweise können wir auf einen der leistungsstärksten Supercomputer Europas zählen, den des Swiss National Supercomputing Centre (CSCS), das sich nur 500 Meter von uns entfernt befindet».

Wie gelingt es Ihnen, das Herz des einzelnen Patienten virtuell zu reproduzieren?

«Zur Erstellung eines digitalen Zwillings werden drei Elemente benötigt: das dreidimensionale statische Bild des Herzens, das aus der MRT oder CT gewonnen wird; der Kontraktionsmechanismus, der aus der MRT gewonnen wird; und schliesslich die elektrische Komponente, die aus dem Elektrokardiogramm stammt. In der Praxis wird der Supercomputer damit beauftragt, diese drei Elemente zu kombinieren und die verwendeten Gleichungen schrittweise zu verfeinern, so dass das vom Algorithmus erzeugte digitale Modell das reale Herz immer realistischer wiedergibt. Derzeit können wir einen hohen Grad an Ähnlichkeit in Bezug auf den elektrischen Teil erreichen, da die Gleichungen, die diesen regeln, einfacher sind, während wir noch an dem mechanischen Teil arbeiten müssen, der viel komplexer ist: Krankheiten wie Bluthochdruck und Diabetes haben hier Einfluss, deren Gleichungen wir noch nicht gut kennen».

Wozu dient der digitale Zwilling des Herzens?

«Er dient dazu, das Problem, an dem der Patient leidet, besser zu untersuchen und Therapien virtuell zu testen, um das Ergebnis vorherzusagen. Dies ist ein grosser Schritt auf dem Weg zur personalisierten Medizin der Zukunft, denn es ermöglicht uns, die beste Therapie für das jeweilige Herzproblem in dem jeweiligen Krankheitsstadium eines Patienten zu ermitteln. Nehmen wir den Fall einer Herzschrittmacherimplantation: Vor der Operation können wir mit dem digitalen Modell im Voraus bestimmen, wo im Herzen die Elektroden angebracht werden sollten, um die Wirkung der elektrischen Stimulation zu maximieren. Bei Vorhofflimmern hingegen kann man virtuell mit kleinen therapeutischen Verbrennungen (Ablation) oder Medikamenten experimentieren und deren Auswirkungen auf den Rhythmus und die Kontraktion des Herzens bewerten. Man erhofft sich davon ein besseres Verständnis dafür, warum die derzeitigen Therapien nicht bei allen Patienten anschlagen».

Wie lange wird es noch dauern, bis diese Technologie routinemässig in Kliniken eingesetzt werden kann?

«Es ist noch zu früh, um das zu sagen, denn wir befinden uns noch in einer experimentellen Phase. Die Herausforderung besteht derzeit darin, die Gleichungen zu verfeinern, um komplexe Krankheiten wie die Herzinsuffizienz zu beschreiben, und dann klinische Studien durchzuführen, um zu zeigen, dass der Ansatz des digitalen Herzens für den Patienten bessere Ergebnisse liefert als der traditionelle Ansatz. Anschliessend muss daran gearbeitet werden, die Kosten und den Zeitaufwand zu senken, um diese Technologie einer grösseren Zahl von Patienten zugänglich zu machen. Bislang können wir sie nur bei einigen ausgewählten Fällen einsetzen, denn die Nachbildung eines massgeschneiderten digitalen Modells des Herzens ist sehr kostspielig: Man denke nur daran, dass ein Supercomputer einen halben Tag Arbeit braucht, um ein paar Herzschläge nachzubilden. Deshalb betreiben wir bereits “reduktive Forschung”, um zu sehen, ob wir die Berechnungen so vereinfachen können, dass sie auf weniger leistungsfähigen Computern durchgeführt werden können, ohne einen zu hohen Preis in Bezug auf die Modellauflösung zu zahlen».

Apropos Berechnungen: Ihre Leidenschaft für Zahlen hat sie sogar dazu gebracht, einen Algorithmus zur Vorhersage von kardiovaskulären Ereignissen (insbesondere Herzinfarkten), die in der Bevölkerung auftreten können, vor Ort zu untersuchen. Wie weit ist das Projekt gediehen?

«Der Algorithmus ist fertig: Wir haben ihn zusammen mit Antonietta Mira, Professorin für Statistik an der USI, und mit der Fondazione Ticino Cuore entwickelt, die seit 2015 Daten über alle Herzstillstände in der Region sammelt. Unter diesem Gesichtspunkt ist das Tessin eine wahre Fundgrube für epidemiologische Daten: Wir dachten daran, sie zu nutzen, um ein Vorhersagemodell zu erstellen, das uns helfen würde, die Verteilung von Defibrillatoren, Krankenwagen und Rettungskräften zu optimieren, um schneller einzugreifen und mehr Leben zu retten. Dies ist ein wichtiges Instrument für die soziale Gesundheit. Wir nutzen es jetzt, um die am stärksten gefährdeten Gebiete vor Ort zu ermitteln, die genauer überwacht werden müssen, und um zu verstehen, wie die Zahl der Herzstillstände in Abhängigkeit von Faktoren wie Demografie, Umweltverschmutzung und Wetterereignissen schwankt».

Kann man also sagen, dass die Herzen der Tessinerinnen und Tessiner absolut sicher sind?

«Sagen wir, wenn Sie wirklich das Pech haben, einen Herzstillstand zu erleiden, ist das Tessin der beste Ort, an dem man sich dann befinden kann».

 

 

Schau in die Galerie Foto di Chiara Micci / Garbani Schau in die Galerie (9 foto)