- Om Insigneo
- In Silico Medicine: Definition, historie, institutioner, vigtigste resultater
- Insigneo-instituttet: Definition, historie, institutioner, vigtigste resultater
- Insigneo-instituttet: Vision, mission, værdier, historie, organisation
- Insigneos bestyrelsesmedlemmer
Hvad betyder in silicomedicin?
I biologien kan undersøgelser udføres in vivo (latin for “i det levende”) på hele, levende organismer, hvad enten det er planter, dyr eller mennesker, i modsætning til in vitro, på levende materiale – mikroorganismer, celler, væv, organer – i en kunstig indeslutning, hvad enten det er reagensglas, dyrkningsskål eller inkubator. Computerchips er lavet af silicium, så in silico, “inden for silicium”, angiver undersøgelser, der udføres ved hjælp af computermodellering og -simulering.
In silicomedicin (også kendt som “computational medicine”) angiver modellerings- og simuleringsteknologier, der direkte bidrager til forebyggelse, diagnosticering, prognose, behandlingsplanlægning & udførelse eller forvaltning af sygdomme. In silico-medicinske teknologier giver subjektspecifikke forudsigelser af størrelser, der er vanskelige eller umulige at måle direkte, men som er vigtige for at understøtte de medicinske beslutninger om en patient.
For eksempel kan en subjektspecifik computermodel, der er genereret ud fra data fra magnetisk resonansbilleddannelse, meget mere præcist forudsige, om en person er ramt af pulmonal hypertension. En anden emnespecifik computermodel baseret på fluoroskopibilleder kan give oplysninger, der er vigtige for at træffe beslutning om det bedste behandlingsforløb for patienter med koronarstenose, som normalt kun kan måles med en invasiv procedure, som kun få hospitaler i Det Forenede Kongerige kan udføre.
En kort historie om in silicomedicin
Fysiologien har en lang tradition, der især går tilbage til Claude Bernards arbejde i det nittende århundrede, for kvantitativ forskning i de struktur-funktionsrelationer, der ligger til grund for fysiologiske processer og den medicinske praksis.
Denne tradition lagde vægt på integration af tværfaglig viden ved at anvende fysiske love og matematik, om end på et simpelt niveau, til at forstå de komplekse livsprocesser. Med opklaringen af livets genetiske og molekylære grundlag flyttede den biomedicinske forskning i sidste halvdel af det 20. århundrede imidlertid i vid udstrækning væk fra fysiologien og hen imod molekylærbiologien. Men fra begyndelsen af halvfemserne begyndte biomedicinske forskere at gøre sig til fortalere for molekylærbiologiens overdrevne reduktionisme, idet de bemærkede, at den fuldstændig negligerede de komplekse interaktioner mellem celler, væv og organer samt den rolle, som livsstil, ernæring og miljø spiller.
I 1993 erkendte International Union of Physiological Sciences (IUPS) denne dikotomi og etablerede fysiomprojektet for at indføre tekniske tilgange og teknologier i de fysiologiske videnskaber. Projektet udviklede sig til en ramme for beregningsfysiologi, som stadig er ved at blive finpudset.
Under det sjette rammeprogram for forskning og teknologisk udvikling (FP6, 2002-2006) finansierede Europa-Kommissionen (EC) projekter, hvor beregningsfysiologi, biofysik og biomekaniske metoder blev anvendt til at løse klinisk relevante problemer. Men på trods af den tilgængelige ekspertise var der en følelse af, at Europa “gik glip af båden”: IUPS havde formelt godkendt IUPS’s fysiomprojekt i 1993, men drivkraften lå primært i New Zealand, Japan og USA. I april 2003 blev den amerikanske Interagency Modeling and Analysis Group (IMAG) dannet; den koordinerede programmedarbejdere fra National Institutes of Health (NIH) og National Science Foundation (NSF), som forvaltede projekter på dette voksende område. Den 1. juni 2005 mødtes en lille gruppe forskere med embedsmænd fra EU på en ekspertworkshop i Barcelona. Efter dette møde blev der i november offentliggjort en hvidbog, hvori udtrykket Virtual Physiological Human (VPH) blev anvendt for første gang.
I 2007 bidrog over 200 eksperter fra hele verden til rapporten “Seeding the Europhysiome”, en forskningskøreplan, der dannede grundlaget for udviklingen af VPH.
I 2008 offentliggjorde PricewaterhouseCoopers en rapport med titlen “Pharma 2020: Virtual R&D – Which path will you take?”, hvori det blev foreslået, at den nuværende forretningsmodel i medicinalindustrien ikke var bæredygtig, og at innovationscyklussen kræver drastiske ændringer, herunder massiv indførelse af in silico-teknologier.
I 2010 blev der indledt en forfatningsproces, som et år senere skulle føre til oprettelsen af VPH Institute for Integrative Biomedical Research som en international nonprofitorganisation, der stadig i dag repræsenterer hele dette forskningssamfund på verdensplan.
I 2011 udarbejdede VPH-instituttets arbejdsgruppe for politiske anliggender en udtalelse om dyreforsøg, der støtter den tese, at principperne for de virtuelle modelleringsteknologier, som VPH har leveret, kan anvendes på dyreforsøg og dermed bidrage til at reducere antallet af dyr, der anvendes i forskningen. I et positionspapir om det kommende H2020-rammeprogram er der også opstillet tre mål for in silicomedicinske teknologier:
- Den digitale patient – VPH for lægen; patientspecifik modellering til støtte for medicinske beslutninger. Se køreplanen for Discipulus for yderligere oplysninger.
- In silico kliniske forsøg – VPH for den biomedicinske industri; samlinger af patientspecifikke modeller til at forbedre den prækliniske og kliniske vurdering af nye biomedicinske produkter; in silico-teknologier til reduktion, forfining og delvis erstatning af dyre- og menneskeforsøg. Se Avicennas køreplan for yderligere oplysninger.
- Personlige sundhedsprognoser – VPH for patienten/borgeren; subjektspecifikke simuleringer baseret på patientdata – herunder data indsamlet af bærbare sensorer og miljøsensorer – som giver råd til personer, der er ramt af tilstande, der kræver selvforvaltning, eller til personer, der er i risiko for at udvikle sygdom. Se et interview med professor Viceconti (tidligere administrerende direktør for Insigneo) om dette emne.
I efteråret 2011 blev det foreslået at oprette et nyt forskningsinstitut dedikeret til VPH-forskning i Sheffield, og i maj 2012 blev Insigneo-instituttet åbnet for medlemskab. For yderligere oplysninger henvises til afsnittene om: Om Insigneo og Insigneo-instituttet: Mission, vision, historie, organisation.
Insilo-medicinens rolle inden for biomedicinsk forskning
Publikationen i 1823 af det første nummer af Lancet markerede symbolsk det øjeblik i det 19. århundrede, hvor revolutionen inden for biomedicinsk forskning begyndte. Ud fra denne ekspansion har den moderne biomedicinske forskning efterfølgende organiseret sig omkring tre ret forskellige paradigmer, der hver især forsøger at håndtere menneskekroppens umulige kompleksitet:
- Cellulær- og molekylærbiologisk forskning, der er drevet af en aggressivt reduktionistisk dagsorden, som fokuserer på små underenheder af systemet;
- Klinisk forskning, der i vid udstrækning behandler menneskekroppen som en sort boks og hovedsagelig baserer sig på statistisk analyse af empiriske observationer;
- Fysiologisk forskning, der forsøger at undersøge menneskekroppen efter den tilgang, der er typisk for de fysiske og tekniske videnskaber.
Den tredje tilgang, der er blevet forpurret af de dramatiske begrænsninger i det 19. og tidlige 20. århundredes beregning og instrumentering, har indtil for nylig været den mindst vellykkede af de tre, og dens betydning er ikke blevet anerkendt i særlig høj grad. Vi mener, at to begivenheder er ved at ændre dette scenario.
Den første er de dramatiske fremskridt, som de fysiske og tekniske videnskaber har drevet frem omkring biomedicinsk instrumentering. Ved hjælp af røntgenstråler, magnetfelter og ultralyd kan vi nu afbilde menneskekroppens indre med bemærkelsesværdig nøjagtighed; automatiserede kemiske analysatorer, spektroskoper og sekvenseringsmaskiner giver en biokemi med højt gennemløb, der åbner helt nye muligheder; den moderne elektrofysiologis fantastiske muligheder giver os detaljer om hjertets, musklernes og hjernens funktion; motion capture, dynamometri og bærbare sensorer giver os et detaljeret overblik over biomekanikken i menneskets bevægelse. Kort sagt kan vi i dag indsamle et stort bibliotek af kvantitative data om hver enkelt patient, som beskriver deres anatomi, fysiologi, biokemi, stofskifte og meget mere i detaljer.
Det andet er den forbløffende sofistikerede beregningsteknik takket være fremskridt inden for matematik, computervidenskab og teknik samt moderne hardware og software til forbedring af modellering og simulering. Denne udvikling er afgørende, fordi vi for første gang kan løse det enorme antal komplekse matematiske ligninger, der kvantitativt kan beskrive mange fysiologiske og patologiske processer. Vi har nu mulighed for at måle eller beregne stort set alt det, der er nødvendigt for en fuldstændig vurdering af den enkelte patient.
En udfordring ved komplekse levende organismer er imidlertid, at de er dramatisk sammenfiltrede, således at det ikke kan antages, at funktionen af en af delene er uafhængig af alle de andre. En stor del af den biologiske forskning omgår dette problem med henvisning til reduktionismen, og den kliniske forskning omgår det helt og holdent ved at ignorere ethvert forsøg på at søge detaljerede mekanistiske forklaringer. Men en biomedicinsk forskningsdagsorden, der er baseret på de fysiske og tekniske videnskabers metoder, må se denne kompleksitet i øjnene, og det er kun muligt, hvis vi anvender matematiske og beregningsmæssige metoder til at formulere vores teorier og kvantitativt sammenligner deres forudsigelser med eksperimentelle observationer som et primært middel til at bevise eller falsificere dem. Og når der først er udviklet en teori, som ikke kan modbevises, kan den underliggende forudsigelsesmodel anvendes til at løse klinisk relevante problemer; mange af den moderne medicins store udfordringer (forebyggelse, personalisering, deltagelse, det med forudsigelse af visionen om en “P4-medicin”, som Leroy Hood først beskrev) vil let kunne løses ved at øge evnen til at forudsige et sygdomsforløb og virkningen af forskellige behandlingsmuligheder for et givet individ.
Det er derfor vores opfattelse, at in silico-medicin er den vigtigste kanal, gennem hvilken de store fysiologer fra den forrige generation i sidste ende vil få ret, og en biomedicinsk videnskab baseret på metoderne fra den fysiske og tekniske videnskab vil få større og større succes. Vi hævder, at in silicomedicin repræsenterer et paradigmeskift i den forstand, som filosoffen Thomas Kuhn foreslog, nemlig “en grundlæggende ændring i de grundlæggende begreber og eksperimentelle metoder i en videnskabelig disciplin”
Væsentlige institutioner
- VPH Institute for integrativ biomedicinsk forskning. Dette er den internationale non-profit-organisation, der repræsenterer VPH / in silico-medicinsk forskningssamfund på verdensplan.
- The Auckland Bioengineering Institute. Dette institut, der er hjemsted for IUPS Physiome-projektet og ledes af professor Peter Hunter, er fortsat den vigtigste institution på området på verdensplan.
- The National Simulation Resource Physiome på University of Washington Department of Bioengineering. Jim Bassingthwaighte’s team er ophavsmand til initiativet om det kardiale fysiom og støtter en række vigtige teknologier, herunder JSIM, det Java-baserede simuleringssystem til konstruktion og drift af kvantitative numeriske modeller.
- The Interagency Modeling and Analysis Group (IMAG). Siden 2003 har dette initiativ, der ledes af Dr. Grace Peng, koordineret alle USA’s føderale finansieringsorganer, der støtter modellerings- og simuleringsforskning inden for biovidenskab og biomedicinsk forskning.
- The Center for Advanced Medical Engineering and Informatics. Dette center, der blev oprettet i 2004 af det globale ekspertisecenter for in silico-medicin og finansieret af den japanske regering under ledelse af professor Kurachi, er et referencecenter i Japan.
- Instituttet for computermedicin ved John Hopkins University. Natalia Trayanovas laboratorium er blot en af de fremragende forskningsgrupper, der er en del af dette nyligt oprettede institut.
- Neuromuskulær biomekanisk laboratorium ved Stanford University. Scott Delps team driver National Institutes of Health Big Data to Knowledge Mobilize Center of Excellence og NIH National Center for Simulation in Rehabilitation Research, som udvikler og vedligeholder OpenSIM-softwaren.
- Det biomedicinske ingeniørinstitut ved det tekniske universitet i Eindhoven. Det er et af de bedste biomedicinske ingeniørafdelinger i Europa og har flere førende professorer inden for in silico-medicin, herunder Frans van de Vosse, Cees Oomens, Keita Ito og Dan Bader.
In Silico Medicine: De vigtigste resultater
Den amerikanske Food and Drug Administration (FDA) godkender T1DMS, den første in silico diabetes type I-model som en mulig erstatning for prækliniske dyreforsøg med henblik på nye kontrolstrategier for type 1-diabetes mellitus, til brug i kunstige bugspytkirtelteknologier.