Ein schlagendes Herz im Computer

Forscher tüfteln am virtuellen Herzen: Computermodelle sollen dereinst den Erfolg einer Therapie vorhersagen. Langfristig könnten damit Behandlungen optimiert und Kosten gespart werden.

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Was für Piloten selbstverständlich ist – Übungsstunden im Flugsimulator –, könnte eines Tages auch Medizinern helfen: Wissenschaftler weltweit arbeiten daran, das menschliche Herz bis ins kleinste Detail am Computer nachzubauen. Ihr Ziel: ein lebensechtes, schlagendes Herz auf dem Bildschirm. Ärzte sollen daran Medikamente und Operationstechniken testen und so die für den Patienten optimale Therapie ermitteln.

Die Suche nach einer geeigneten Behandlung folge in der Medizin häufig dem ‹trial and error›-Prinzip, dem Ausprobieren aufgrund von Versuch und Irrtum, erklärt Olaf Dössel, Direktor des Instituts für biomedizinische Technik am Karlsruher Institut für Technologie. Dabei wisse man erst hinterher, was am besten wirkt.

Für Dössel und seine Karlsruher Forscherkollegen ist dieses Vorgehen verbesserungswürdig. «Unser Motto lautet: ‹First time right› – also gleich richtig.» Oder mit anderen Worten: «Unser Modell soll den Erfolg einer Therapie vorhersagen können.»

Dössels Team arbeitet seit mehreren Jahren an der Modellierung des symbolträchtigsten aller Organe: «Unser Modell für ein gesundes Herz ist schon sehr gut. Nach einer Demonstration kommen immer wieder Kardiologen zu uns und sagen, dass sie die komplexen elektrischen und mechanischen Vorgänge des Herzens noch nie so klar gesehen haben.»

Mit Computermodellen

Die Forscheraktivität rund ums digitale Modellieren des Herzens ist vielfältig: Während manche Arbeitsgruppen das gesamte Organ nachstellen, spezialisieren sich andere Gruppen auf Teilausschnitte.

Dominik Obrist und sein Team vom Artorg Center, einem Forschungsinstitut der Universität Bern, entwickeln etwa Computermodelle, die die Blutgefässe und die Herzklappen darstellen: «Solche Computermodelle sind eine Ergänzung zu bereits existierenden Techniken. Das Ziel ist auch die Objekti­vierung der Diagnose. Oft hängt diese stark von den Kenntnissen des jeweiligen Arztes ab – dieser schaut sich zum Beispiel ein CT-Bild an oder ein EKG und interpretiert die Ergebnisse. Ein Computermodell berechnet zusätz­liche Parameter, etwa den Blutdurchfluss, und das immer gleich», erklärt Obrist.

Was ein wenig nach Science-Fiction klingt, ist heute teilweise schon Realität: Ersetzen Chirurgen eine Herzklappe, hilft ihnen ein Computermodell, die richtige Grösse und Form vorab auszuwählen. Auch wenn ein Herzkranzgefäss verengt ist und durch einen sogenannten Stent, ein zylindrisches Metallgitter, erweitert und stabilisiert werden muss, erhalten Kardiologen digitale Unterstützung: Computermodelle berechnen den Blutdurchfluss und den idealen Ort des Einsatzes. Die amerikanische Firma Heartflow bietet solche Analysen bereits kommerziell an: Schicken die Ärzte die entsprechenden Daten, generiert die Software der Firma ein Modell und liefert die passende Diagnose.

«Noch braucht das alles aber zu viel Zeit. Irgendwann muss das in Echtzeit ablaufen», sagt Obrist. Liege ein Patient mit Herzinfarkt auf der Bahre, könne man nicht zwei Stunden auf eine Computeranalyse warten.

Ein hochkomplexes Organ

Doch die mathematische Simulation des menschlichen Herzens ist eine gewaltige Herausforderung. Schon die Anatomie des Organs ist hochkomplex: vier Kammern, vier Klappen, die Zu- und Abflüsse sowie die Herzkranzgefässe. Hinzu kommt noch die Pumpbewegung, das Herz steht niemals still.

Weswegen Experten auch von einem 4-D-Modell sprechen. «Allein das Berechnen des Herzschlags, also die Weiterleitung der elektrischen Impulse, kostet enorme Rechenleistungen», sagt Gernot Plank von der Universität Graz, der seit über zehn Jahren an der Simulation des Herzens arbeitet. Etwa zwei Stunden rechne ein Supercomputer, dessen Leistung der von 2000 Personalcomputern entspricht.

Zu verdanken ist die Entwicklung solcher 3-D-Modelle im Übrigen auch dem enormen Fortschritt in der Bildgebung: Erst die Bilder von Computertomografie (CT) und Magnetresonanztomografie (MRT) machten den Aufbau des Organs so hochpräzise sichtbar. In die Berechnung eines 3-D-Modells fliessen denn auch Tausende solcher Scans ein.

Der nächste Schritt – die Entwicklung personalisierter Herzmodelle – ist aber noch überall in Arbeit. Die Karlsruher Wissenschaftler verwandeln hierfür das virtuelle Durchschnittsherz in ein virtuelles Patientenherz.

Das heisst, alle vorhandenen Daten, die durch EKG, Katheter, CT, MRT und Ultraschall gewonnen wurden, fliessen in das Computermodell ein. Das Ziel: Am Ende muss das Patientenherz auf dem Bildschirm schlagen ­– mit all seinen individuelle Eigenschaften wie undichten Klappen, verstopften Gefässen und Herzrhythmusstörungen. «Ist das Modell gut, können wir berechnen, was der Herzinfarkt bei Patient X für Konsequenzen hat oder wie sein Herz auf verschiedene Behandlungen reagiert», sagt Dössel.

Und sein Grazer Forscherkollege Plank ergänzt: «Ein solches Modell dient auch dazu, gezielt die Patienten auszuwählen, die von einer bestimmten Therapie profitieren.» So helfe ein Herzschrittmacher bei bestimmten Herzerkrankungen sieben von zehn Patienten. Bei den übrigen drei Patienten wirke er aber nicht – trotz aufwendiger Ope-ration und Kosten von 30'000 Euro.

Auch andere Organe im Fokus

Auch die Pharmaindustrie ist an solchen Modellen interessiert: Neue Medikamente könnten sich kostensparend testen lassen. Denn viele Substanzen haben Nebenwirkungen, die das Herz betreffen. In Japan wurden kürzlich zwölf Medikamente in verschiedenen Dosierungen an einem Herzmodell getestet.

Die Ergebnisse stimmten mit den konventionellen Untersuchungen überein. Kein Wunder also, dass die Industrie schon aufgesprungen ist: Siemens, IBM und Medtronic, der Weltmarktführer in Sachen Herzschrittmacher, investieren in die Erforschung und Entwicklung von Herzmodellen.

Und obwohl die Forschungskosten hoch sind, hoffen Experten langfristig auf Einsparungen: Patienten würden die optimale Therapie erhalten und weitere Klinikaufenthalte entfielen. Deswegen wird nicht nur das Herz ­digital nachgebaut: Auch Niere, Leber und sogar das Gehirn sollen eines Tages am Bildschirm zum Leben erwachen. (Berner Zeitung)

Erstellt: 25.01.2016, 12:26 Uhr

Optimierte Therapien, günstigere Medikamente: Medizinische Versuche am virtuellen Herzen versprechen viele Vorteile. (Bild: Fotolia)

Systembiologie

Die Systembiologie beschäftigt sich mit der Beschreibung eines biologischen Systems, etwa dem Herzen. Dazu werden die biologischen Vorgänge in mathematischen Modellen beschrieben, mit Labordaten überprüft und verbessert. Die Systembiologie erfordert die Zusammenarbeit von Wissenschaftlern unterschiedlicher Fachrichtungen wie Biologie, Mathematik, Physik, Medizin, Informatik.ji

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