Συσκευή “Αυτόματου Οδηγού” για Ανάρρωση από Έμφραγμα; Έρχεται!

Μια εννοιολογική εικόνα του ACIS, του Αυτόνομου Συστήματος Παρέμβασης Κλειστού Κύκλου, που αναπτύσσεται για να βοηθήσει ασθενείς να αναρρώσουν από καρδιακή προσβολή και οξεία καρδιακή ανεπάρκεια. Δεν είναι ακόμη γνωστό πώς θα είναι η τελική συσκευή.

Τα νοσοκομεία μπορεί σύντομα να μπορούν να βασίζονται σε ένα μηχάνημα “αυτόματου οδηγού” για να βοηθήσουν τους ασθενείς να αναρρώσουν από καρδιακές προσβολές. Αυτό το μηχάνημα θα χορηγεί θεραπείες στον ασθενή, θα συλλέγει δεδομένα για το πώς ανταποκρίνεται το σώμα του και στη συνέχεια θα προσαρμόζει τα φάρμακά του για να σταθεροποιήσει τον ασθενή εντός παραμέτρων που έχουν προκαθοριστεί από τον γιατρό του.

Αυτό είναι το όραμα για το Autonomous Closed-Loop Intervention System (ACIS), μια συσκευή που αναπτύσσεται από επιστήμονες στην NTT Research, έναν κλάδο της παγκόσμιας εταιρείας τεχνολογίας NTT. Η συσκευή έχει δοκιμαστεί σε πειράματα σε ζώα, αλλά όχι ακόμη σε ανθρώπους.

Ο απώτερος στόχος των ερευνητών είναι να επιτρέψουν στην καρδιά να ξεκουραστεί και να ελαχιστοποιήσει τη χρήση οξυγόνου σε αυτό το κρίσιμο παράθυρο ανάκαμψης μετά από ένα καρδιακό επεισόδιο του ασθενούς. Οι εργασίες που θα εκτελούνταν από το ACIS συνήθως γίνονται από ιατρικό προσωπικό – αλλά η ιδέα είναι ότι η συσκευή θα μπορούσε να τυποποιήσει και να βελτιστοποιήσει τη διαδικασία για να αποφέρει καλύτερα αποτελέσματα, ανακουφίζοντας παράλληλα την πίεση στους ήδη περιορισμένους πόρους των γιατρών.

“Πιστεύουμε ότι αυτό το σύστημα θα ξεπεράσει το τρέχον επίπεδο περίθαλψης”, δήλωσε ο Δρ Joe Alexander, διευθυντής του εργαστηρίου Medical and Health Informatics (MEI) της NTT Research.

Το ACIS προήλθε από μια ευρύτερη προσπάθεια με επικεφαλής το εργαστήριο MEI, γνωστή ως πρόγραμμα Bio Digital Twin. Στόχος του είναι να κατασκευάσει προηγμένα εικονικά μοντέλα οργανικών συστημάτων που μπορούν να εξατομικευτούν με τα δεδομένα ενός μεμονωμένου ασθενούς, παρέχοντας μια λεπτομερή και δυναμική αναπαράσταση της ιατρικής του κατάστασης και ένα δοκιμαστικό μοντέλο για την ανάπτυξη θεραπευτικών σχεδίων.

Το Live Science μίλησε με τον Alexander για τα Digital Twins, το ACIS και το όραμά του για το πώς θα μπορούσαν να μεταμορφώσουν την υγειονομική περίθαλψη.

Nicoletta Lanese: Όταν μιλάμε για ένα Bio Digital Twin, είναι δίκαιο να πούμε ότι είναι ένα εικονικό αντίγραφο του ασθενούς;

Δρ Joe Alexander: Πιθανώς ο απλός κόσμος θα θεωρούσε ένα Bio Digital Twin ως ένα αντίγραφο του ατόμου. Αλλά στην πραγματικότητα, είναι απλώς ένα σύστημα εξισώσεων, μοντελοποίησης και προσομοίωσης για να αναπαραστήσει ένα άτομο στο βαθμό που είναι σχετικό με την ασθένεια. Είναι μια πολύ συγκεκριμένη εφαρμογή, οπότε δεν υπάρχει κανένα Bio Digital Twin που να αντιπροσωπεύει το [ολόκληρο] άτομο.

Στην περίπτωσή μας, αν και ξεκινήσαμε να κατασκευάσουμε μια οικογένεια Bio Digital Twins για να αναπαραστήσουμε διαφορετικά οργανικά συστήματα για διαφορετικούς τύπους σημαντικών ασθενειών, ξεκινάμε με το καρδιαγγειακό σύστημα. Έτσι, όταν μιλάω για ένα Καρδιαγγειακό Bio Digital Twin, δεν μιλάω καν για ένα αντίγραφο της καρδιάς. Μιλάω για μια μαθηματική αναπαράσταση όλων των συστημάτων που είναι απαραίτητα για να εξετάσουμε το καρδιαγγειακό σύστημα σε έναν συγκεκριμένο ασθενή.

Στην περίπτωση του ACIS, εξετάζουμε την οξεία καρδιακή ανεπάρκεια και το οξύ έμφραγμα του μυοκαρδίου [κοινώς γνωστό ως καρδιακή προσβολή].

Ο Δρ Joe Alexander προβλέπει ότι το ACIS θα μπορούσε κάποια μέρα να “υπερβεί το επίπεδο περίθαλψης”. (Εικόνα: Ευγενική παραχώρηση της NTT Research, Inc.)

NL: Θα μπορούσατε να μιλήσετε για το τι είδους δεδομένα εισάγονται στο μοντέλο;

JA: Αυτό το Καρδιαγγειακό Bio Digital Twin αντιπροσωπεύει τις πιέσεις και τις ροές σε όλο το καρδιαγγειακό σύστημα, συμπεριλαμβανομένων των πιέσεων και των ροών που παράγονται από τους τέσσερις θαλάμους της καρδιάς. … Είμαστε σε θέση να αναπαραστήσουμε τη δυναμική του καρδιαγγειακού συστήματος σε πιέσεις, ροές και όγκους.

NL: Και πώς το κάνετε αυτό αξιοποιήσιμο για έναν μεμονωμένο ασθενή;

JA: Βρισκόμαστε στα πρώτα στάδια, αλλά έχουμε έναν οδικό χάρτη για το πώς να το κάνουμε. Βασικά, πρώτα προσπαθούμε να αναπαραστήσουμε το “φυσιολογικό” καρδιαγγειακό σύστημα για τους ασθενείς. Έτσι, αν μπορούμε να λάβουμε δεδομένα γύρω από το “φυσιολογικό”, τότε αυτό είναι πολύ καλό. [Σημείωση του συντάκτη: Το εργαστήριο ΜΕΙ συνεργάζεται με εταίρους όπως το Εθνικό Εγκεφαλικό και Καρδιαγγειακό Κέντρο στην Ιαπωνία για να αποκτήσει πρόσβαση σε αυτό το είδος δεδομένων.]

Αλλά πιθανώς το πιο σημαντικό είναι να βρούμε πληθυσμούς που είναι σχετικοί με τον συγκεκριμένο ασθενή – έτσι, σε αυτή την περίπτωση, ασθενείς με καρδιαγγειακή νόσο ή ασθενείς με καρδιακή ανεπάρκεια. Έτσι, επιδιώκουμε αυτά τα δεδομένα σε επίπεδο πληθυσμού. Ας πούμε για καρδιακή ανεπάρκεια. Στη συνέχεια, από αυτά τα δεδομένα, μπορούμε να εκτιμήσουμε παραμέτρους για το καρδιαγγειακό μας μοντέλο που αντιπροσωπεύουν τον γενικό πληθυσμό των ασθενών με καρδιακή ανεπάρκεια.

Μέσα σε αυτόν τον πληθυσμό, όπως γνωρίζετε, υπάρχει μεγάλη μεταβλητότητα. Έτσι, υπάρχουν άλλα χαρακτηριστικά που είναι συγκεκριμένα για τον ασθενή μας που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε; Ίσως αποτελέσματα από ηχοκαρδιογράφημα [ΗΚΓ]. Ίσως η ηλικία, ίσως συννοσηρότητες [άλλες ιατρικές καταστάσεις], φύλο, άνδρας ή γυναίκα. Ή περιβάλλον. Και αν υπάρχουν διαθέσιμες γενετικές πληροφορίες, τότε μπορούμε να βρούμε έναν υποπληθυσμό που είναι ακόμη πιο σχετικός με τον ασθενή.

Τώρα, με το ACIS, [θα] συνδέαμε πραγματικά έναν ασθενή με την “πρώτη εικασία” του Καρδιαγγειακού Bio Digital Twin μας για το τι θα ταίριαζε με αυτόν τον ασθενή με βάση τα δεδομένα σε επίπεδο πληθυσμού. Δεδομένου ότι είναι ένα σύστημα ελέγχου ανάδρασης, η ανάδραση θα προσαρμόσει αυτόματα τις τιμές των παραμέτρων για να παραδώσει τα απαραίτητα φάρμακα ή τις θεραπείες συσκευών που χρειάζεται ο συγκεκριμένος ασθενής για κάποια προκαθορισμένη καρδιακή παροχή. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να ρυθμίσουμε περαιτέρω το Digital Twin για αυτόν τον ασθενή.

NL: Μπορείτε να περιγράψετε πώς λειτουργεί το ACIS και ο βρόχος ανάδρασής του;

JA: Η ιδέα είναι ότι είναι μια “αυτοκινούμενη” θεραπεία, ακριβώς όπως ένα αυτοκινούμενο αυτοκίνητο. Αλλά σε αυτή την περίπτωση, η “αυτοκίνηση” παραδίδει τα κατάλληλα φάρμακα ή, σε σοβαρές περιπτώσεις, τις θεραπείες ιατρικών συσκευών που μπορεί να χρειαστεί ένας ασθενής.

Έχουμε ένα σύστημα όπου καθορίζουμε – απλώς πληκτρολογούμε στο πληκτρολόγιο – την επιθυμητή καρδιακή παροχή, τον καρδιακό ρυθμό, την πίεση του αριστερού κόλπου, την αρτηριακή πίεση που θέλουμε να επιτύχει ο ασθενής. Στη συνέχεια, σύριγγες που είναι γεμάτες με τα κατάλληλα φάρμακα για να δημιουργήσουν αυτές τις αλλαγές οδηγούνται από το μοντέλο μας ή την “καλύτερη εικασία” για αυτόν τον συγκεκριμένο ασθενή. Αυτό είναι όλο αφού ένας ασθενής έχει υποβληθεί σε θεραπεία της πρωτογενούς βλάβης [όπως ένα φραγμένο αιμοφόρο αγγείο] στο εργαστήριο καθετηριασμού.

Ας πούμε ότι είχαν ένα αγγείο που ήταν φραγμένο, έχει ήδη ανοιχθεί ή έχει τοποθετηθεί στεντ και πηγαίνουν στη ΜΕΘ [μονάδα εντατικής θεραπείας] ή στην ΜΕΚ [μονάδα εντατικής καρδιολογίας] για να αναρρώσουν. Η ανάρρωση σημαίνει ότι η καρδιά χρειάζεται μια ευκαιρία να ξεκουραστεί. Αυτό σημαίνει να αφήσουμε την καρδιά να εργαστεί όσο το δυνατόν λιγότερο για να διατηρήσει την επιθυμητή καρδιακή παροχή.

Έχουμε ένα συγκεκριμένο σχήμα φαρμάκων που δίνονται. Οι κατεχολαμίνες βελτιώνουν την ικανότητα της καρδιάς να συστέλλεται. Τα νιτρικά μειώνουν το μεταφορτίο της καρδιάς, έτσι ώστε να μην χρειάζεται να εργαστεί ενάντια σε ένα τόσο υψηλό φορτίο όταν προσπαθεί να εισχωρήσει στο αρτηριακό σύστημα. Τα διουρητικά μειώνουν τον κυκλοφορούντα όγκο αίματος και αφαιρούν αίμα από τους πνεύμονες, το οποίο έχει συσσωρευτεί λόγω της οξείας ανεπάρκειας.

Αυτά τα φάρμακα συνήθως χορηγούνται από γιατρό, θα δώσει ένα φάρμακο και θα εξετάσει την ανταπόκριση, θα δώσει ένα άλλο φάρμακο, την ανταπόκριση και θα διαχειριστεί αυτόν τον ασθενή για αρκετές ημέρες. Όταν το σύστημά μας επιτύχει σωστή λειτουργία – και είμαστε σχεδόν εκεί, νομίζω – όλα αυτά τα φάρμακα μπορούν να χορηγηθούν ταυτόχρονα, αν γνωρίζουμε πώς θα ανταποκριθεί το σύστημα. Αυτό μας εξοικονομεί πολύ χρόνο στη θεραπεία του ασθενούς.

Τα φάρμακα χορηγούνται από αυτές τις αυτόνομα ελεγχόμενες σύριγγες. Στη συνέχεια, ο ασθενής ανταποκρίνεται σε αυτά και αυτή η ανταπόκριση τροφοδοτείται πίσω σε αυτό το σύστημα. Αυτές οι τιμές συγκρίνονται με αυτές που πληκτρολογήσαμε στο πληκτρολόγιο και, αν υπάρχει διαφορά, τότε τα συστήματα ανάδρασης εργάζονται για να μειώσουν αυτή τη διαφορά. Δίνει επίσης πληροφορίες στο Digital Twin μας για αυτόν τον ασθενή, έτσι ώστε στο μέλλον, να έχουμε καλύτερες αναπαραστάσεις αυτών των αντιστάσεων και πυκνωτών στο μοντέλο.

Το Καρδιαγγειακό Ψηφιακό Δίδυμο αντιπροσωπεύει τη δυναμική του καρδιαγγειακού συστήματος μέσω μαθηματικών εξισώσεων και προσομοιώσεων. (Εικόνα: Getty Images)

NL: Σε ποιο στάδιο ανάπτυξης έχει φτάσει το ACIS σε αυτό το σημείο;

JA: Λοιπόν, σε πειράματα σε ζώα σε σκύλους, πέρυσι για πρώτη φορά, προκαλέσαμε πειραματικά οξεία καρδιακή ανεπάρκεια και μπορέσαμε να αφήσουμε αυτό το αυτόνομο σύστημα να διορθώσει την καρδιακή παροχή, την αρτηριακή πίεση αυτόνομα, ελαχιστοποιώντας παράλληλα την κατανάλωση οξυγόνου από το μυοκάρδιο [καρδιακός μυς].

Από αυτό το πρώτο επιτυχημένο πείραμα πριν από περίπου ένα χρόνο, είχαμε αρκετά άλλα επιτυχημένα [πειράματα σε ζώα], βελτιώνοντας συνεχώς το σύστημα ανάδρασής μας για να είναι πιο σύνθετο, κάνοντάς το να μπορεί να λειτουργεί με βάση διαλείποντα δεδομένα, έτσι ώστε να μην χρειάζεται να δειγματοληψούμε συνεχώς. Μπορείτε να το κάνετε επεισοδιακά.

Έχουμε αρκετά ακόμη χρόνια δουλειάς για τη βελτιστοποίηση αυτού του συστήματος, πιστεύουμε, σε πειραματισμό σε ζώα — πιθανώς περίπου τρία χρόνια ακόμη. Και τότε θα είμαστε έτοιμοι για μελέτες first-in-human, όπου θα χρησιμοποιηθεί το ACIS, αλλά με έναν κλινικό γιατρό στον βρόχο [για τις αρχικές ανθρώπινες δοκιμές]. Αυτό που θα έκανε το ACIS είναι να πει στον γιατρό ποιες δόσεις αυτών των διαφόρων φαρμάκων να χορηγήσει και ο γιατρός θα αποφάσιζε στη συνέχεια αν θα το κάνει ή όχι, ως μέτρο ασφαλείας.

Τώρα, αυτό που περιέγραψα μέχρι στιγμής ήταν κυρίως για φάρμακα, αλλά οι ίδιοι αλγόριθμοι λειτουργούν για ιατρικές συσκευές, όπως οι συσκευές υποβοήθησης της αριστερής κοιλίας [LVAD, ένας τύπος μηχανικής αντλίας] ή οι συσκευές εξωσωματικής οξυγόνωσης μεμβράνης [ECMO, που κυκλοφορούν το αίμα για να αφήσουν την καρδιά και τους πνεύμονες να ξεκουραστούν]. Αυτό είναι όλο εντός του πεδίου εφαρμογής αυτού που αναμένουμε να επιτύχουμε σε πειραματικά ζώα μέσα στα επόμενα τρία χρόνια πριν προχωρήσουμε σε μελέτες first-in-human.

NL: Ποια είναι τα επόμενα βήματα για την έγκριση του ACIS; Πώς θα μπορούσαν να είναι οι δοκιμές;

JA: Θα ήταν κάπως σαν [δοκιμές] ένα αυτόνομο ή αυτοκινούμενο όχημα – επίπεδο 1 έως 4 βαθμών ή σταδίων αυτονομίας.

Με άλλα λόγια, επιτρέποντας στο σύστημα να έχει αυξανόμενη ευθύνη και παρακολουθώντας την απόδοση μέχρι να εγκατασταθεί στην αποδοχή ενός αυτόνομου συστήματος, όπου τότε, πιθανώς, ένας ειδικός θα το παρακολουθεί – όπως κάποιος που κάθεται στη θέση ενός αυτοκινούμενου αυτοκινήτου, έτοιμος να αναλάβει αν κάτι πάει στραβά. Βλέπω αυτό το είδος προόδου παρόμοια με το αυτοκινούμενο όχημα.

NL: Και μακροπρόθεσμα, το ACIS θα έχει πάντα κάποια μορφή κλινικής επίβλεψης;

JA: Εξακολουθώ να κρατώ την έννοια του “αυτόνομου”, αλλά υποψιάζομαι ότι θα υπάρχει ένας καρδιολόγος κάπου τριγύρω, παρακολουθώντας, ίσως, έναν αριθμό ασθενών ταυτόχρονα.

Είμαι πολύ αφοσιωμένος στην ιδέα ότι η συσκευή που συλλαμβάνουμε μπορεί πραγματικά να ξεπεράσει τον καρδιολόγο. Και ξέρω ότι θα ενοχλήσουμε κάποιους καρδιολόγους. Αλλά αναμένουμε να αποδείξουμε αυτό το σημείο ή να υποδείξουμε έντονα ότι αυτό είναι αλήθεια, κάνοντας πειράματα σε ζώα όπου συγκρίνουμε το σύστημα ACIS με κλινικά εκπαιδευμένους καρδιολόγους. Αναμένουμε μειωμένο μέγεθος εμφράγματος [βαθμός θανάτου καρδιακού ιστού] από το ACIS σε σύγκριση με το τυπικό επίπεδο περίθαλψης από καρδιολόγους.

NL: Υποθέτοντας ότι αυτή η συσκευή εγκριθεί στο μέλλον, πού βλέπετε ότι θα έχει το μεγαλύτερο όφελος;

JA: Υπάρχει ο λεγόμενος Πενταπλός Στόχος της Υγειονομικής Περίθαλψης, ο οποίος λέει να βελτιωθεί η εμπειρία του ασθενούς, να βελτιωθεί η εμπειρία του γιατρού, να βελτιωθεί η υγεία του πληθυσμού, να μειωθεί το κόστος της περίθαλψης και να βελτιωθεί η υγειονομική ισότητα. Αυτοί οι στόχοι, νομίζω, αντιμετωπίζονται όλοι από το ACIS.

Ο ασθενής θα είχε περισσότερη προσοχή και λεπτό προς λεπτό φροντίδα – δεν θα είχατε έναν ειδικευόμενο να προσπαθεί να τα βγάλει πέρα με πολλούς ασθενείς ταυτόχρονα. Θα μπορούσατε να έχετε έναν λιγότερο εξειδικευμένο κλινικό φροντιστή που παρακολουθεί τη συμπεριφορά της συσκευής και έτσι αυτό θα βελτίωνε όχι μόνο την εμπειρία του ασθενούς και την ποιότητα της φροντίδας του ασθενούς, αλλά και την εμπειρία του παρόχου υγειονομικής περίθαλψης. Δεν θα έπρεπε να υπερβάλλουν σε τέτοιο βαθμό την εργασία.

Πιστεύουμε ότι αυτό το σύστημα θα ξεπεράσει το τυπικό επίπεδο περίθαλψης, επειδή [στα χαρτιά] συγκλίνετε πιο γρήγορα στην ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης οξυγόνου από το μυοκάρδιο και έχετε καλύτερη ανάρρωση κατά τη διάρκεια της παραμονής στο νοσοκομείο. Έτσι, οι ασθενείς έχουν λιγότερες επανεισαγωγές και επιπλοκές μετά την έξοδό τους. Υπάρχει πάντα κάποιος τραυματισμός στην καρδιά [με αυτά τα καρδιακά επεισόδια] και ίσως, μπορεί να υπάρχει κάποιο έμφραγμα της καρδιάς. Έτσι, πιστεύουμε ότι αυτό το επίπεδο φροντίδας θα μπορούσε να μειώσει το μέγεθος του εμφράγματος, έτσι ώστε να διατηρήσετε περισσότερο μέρος της καρδιάς κατά τη διάρκεια της θεραπείας.

NL: Και όταν τελικά παραδώσετε το ACIS για κλινικές δοκιμές, ποιο θα είναι το επόμενο έργο;

JA: Για εμάς, η φυσική εξέλιξη μέσα στα επόμενα 10 χρόνια, πιθανώς μέσα στα επόμενα πέντε χρόνια, θα ήταν η χρόνια καρδιακή ανεπάρκεια. Στη χρόνια καρδιακή ανεπάρκεια, πρέπει να αντιμετωπίσετε περισσότερη πολυπλοκότητα, όπως η αναδιαμόρφωση [ιστού], όπου οι κοιλίες γίνονται παχύτερες ή διαστέλλονται. Αυτό το είδος αναδιαμόρφωσης αλλάζει τη μηχανική.

Πρέπει επίσης να αντιμετωπίσουμε δεδομένα από ασθενείς που δεν είναι στο νοσοκομείο. Σχεδιάζουμε να δημιουργήσουμε μητρώα ασθενών [με Digital Twins] που θα ήταν σε οξεία κατάσταση για να έχουμε πρόσβαση σε αυτά τα δεδομένα για τη θεραπεία τους έξω. Αλλά τότε πρέπει επίσης να βασιστούμε σε πράγματα όπως οι φορητές τεχνολογίες και εργαζόμαστε και σε αυτό. Έχουμε συνεργασίες με άτομα στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου που αναπτύσσουν ειδικούς βιοαισθητήρες και βιοϋλικά και εμφυτεύσιμους αισθητήρες και ούτω καθεξής που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην παροχή των δεδομένων που θα ήταν σημαντικά για την εκτέλεση προγνωστικής συντήρησης υγείας σε ασθενείς με χρόνια καρδιακή ανεπάρκεια.

Και στη χρόνια καρδιακή ανεπάρκεια, πρέπει να αντιμετωπίσουμε συννοσηρότητες και επιπλοκές όπως η νεφρική ανεπάρκεια… και η αναιμία. Ο συνδυασμός της υπερφόρτωσης υγρών και της αναιμίας, όλα λόγω νεφρικής ανεπάρκειας, κάνει πραγματικά την καρδιά να υποφέρει από έλλειψη οξυγόνου και προκαλεί αργή επιδείνωση.

Είμαι βέβαιος ότι αυτή η πολυπλοκότητα από μόνη της θα με κρατήσει απασχολημένο για το υπόλοιπο της ζωής μου. Έχουμε πολλή δουλειά να κάνουμε με τη χρόνια καρδιακή ανεπάρκεια. Αυτό θα ήταν το επόμενο σίγουρα.

Σημείωση του συντάκτη: Αυτή η συνέντευξη έχει υποστεί ελαφρά επεξεργασία για λόγους μήκους και σαφήνειας.

via