In Silico Medicine: Definition, historia, institutioner, viktigaste resultat – Insigneo In Silico Medicine: Definition, historia, institutioner, viktigaste resultat: Definition, historia, institutioner och viktigaste resultat

• Om Insigneo
• In Silico Medicine: Definition, historia, institutioner, viktigaste resultat
• Insigneo-institutet: Definition, historia, institutioner, viktigaste resultat
• Insigneo-institutet: Definition, historia, institutioner, viktigaste resultat: Vision, uppdrag, värderingar, historia, organisation
• Insigneos styrelseledamöter

Vad betyder in silicomedicin?

I biologin kan studier utföras in vivo (latin för ”inom det levande”) på hela levande organismer, vare sig det rör sig om växter, djur eller människor, i motsats till in vitro, på levande materia – mikroorganismer, celler, vävnader, organ – i en artificiell begränsning, vare sig det rör sig om ett provrör, en kulturskål eller en inkubator. Datorchips är gjorda av kisel, så in silico, ”inom kisel”, betecknar studier som utförs med hjälp av datormodellering och simulering.

In silicomedicin (även känd som ”beräkningsmedicin”) betecknar modellerings- och simuleringsteknik som direkt bidrar till förebyggande, diagnos, prognos, behandlingsplanering, & utförande eller hantering av sjukdomar. Tekniker för in silicomedicin ger ämnesspecifika förutsägelser av storheter som är svåra eller omöjliga att mäta direkt, men som är viktiga som stöd för medicinska beslut om en patient.

En ämnesspecifik datormodell som genereras från data från magnetresonanstomografi kan till exempel mycket noggrannare förutsäga om en person är drabbad av pulmonell hypertoni. En annan ämnesspecifik datormodell som baseras på fluoroskopibilder kan ge information som är väsentlig för att bestämma den bästa behandlingen för patienter med kranskärlsstenos, som normalt sett endast kan mätas med ett invasivt förfarande som få sjukhus i Storbritannien kan utföra.

En kort historia av in silicomedicin

Fysiologin har en lång tradition, som särskilt härstammar från Claude Bernards arbete på 1800-talet, av kvantitativ forskning om de struktur-funktionsrelationer som ligger till grund för fysiologiska processer och medicinsk praxis.

Denna tradition betonade integrationen av tvärvetenskaplig kunskap genom att använda fysikaliska lagar och matematik, om än på en enkel nivå, för att förstå livets komplexa processer. I och med att livets genetiska och molekylära grund klarlagrades, flyttade dock den biomedicinska forskningen under 1900-talets senare hälft i stort sett bort från fysiologin och övergick till molekylärbiologin. Med början i början av nittiotalet började biomedicinska forskare dock att protestera mot molekylärbiologins överdrivna reduktionism och konstaterade att den helt försummade de komplexa interaktionerna mellan celler, vävnader och organ, liksom de roller som spelas av livsstil, näring och miljö.

1993 erkände International Union of Physiological Sciences (IUPS) denna dikotomi och inrättade fysiomprojektet för att introducera ingenjörsmässiga tillvägagångssätt och tekniker i de fysiologiska vetenskaperna. Projektet utvecklades till en ram för beräkningsfysiologi som fortfarande förfinas.

Under sitt sjätte ramprogram för forskning och teknisk utveckling (FP6, 2002-2006) finansierade Europeiska kommissionen (EG) projekt där metoder för beräkningsfysiologi, biofysik och biomekanik användes för att lösa kliniskt relevanta problem. Men trots den tillgängliga expertisen fanns det en känsla av att Europa ”missade båten”: IUPS hade formellt godkänt IUPS Physiome Project 1993, men drivkraften låg främst i Nya Zeeland, Japan och Förenta staterna. I april 2003 bildades också den amerikanska Interagency Modeling and Analysis Group (IMAG), som samordnade programpersonal från National Institutes of Health (NIH) och National Science Foundation (NSF) som förvaltade projekt inom detta växande område. Den 1 juni 2005 träffade en liten grupp forskare tjänstemän från EG vid en expertworkshop i Barcelona. Efter detta möte, i november, publicerades en vitbok där termen Virtual Physiological Human (VPH) användes för första gången.

År 2007 bidrog över 200 experter från hela världen till rapporten ”Seeding the Europhysiome”, en färdplan för forskning som lade grunden för utvecklingen av VPH.

År 2008 publicerade PricewaterhouseCoopers en rapport med titeln ”Pharma 2020: Virtual R&D – Which path will you take?” där det föreslogs att läkemedelsindustrins nuvarande affärsmodell inte var hållbar och att innovationscykeln krävde drastiska förändringar, bland annat ett massivt införande av in silicoteknik.

2010 påbörjades en konstitutionell process som ett år senare skulle leda till att VPH Institute for Integrative Biomedical Research bildades som en internationell icke-vinstdrivande organisation, som än i dag representerar hela detta forskarsamhälle över hela världen.

Under 2011 utarbetade VPH-institutets arbetsgrupp för politiska frågor ett ställningstagande om djurförsök, där man stödde tesen att principerna för virtuell modelleringsteknik som tillhandahålls av VPH skulle kunna tillämpas på djurförsök och på så sätt bidra till att minska antalet djur som används i forskningen. I ett ställningstagande om det kommande ramprogrammet H2020 anges också de tre målen för teknik för in silicomedicin:

1. Den digitala patienten – VPH för läkaren; patientspecifik modellering som stöd för medicinska beslut. Se färdplanen för Discipulus för mer information.
2. In silico kliniska försök – VPH för den biomedicinska industrin; samlingar av patientspecifika modeller för att öka den prekliniska och kliniska bedömningen av nya biomedicinska produkter; in silicoteknik för att minska, förfina och delvis ersätta djur- och människoförsök. Se Avicennas färdplan för mer information.
3. Personliga hälsoprognoser – VPH för patienten/medborgaren; ämnesspecifika simuleringar, baserade på patientdata – inklusive sådana som samlas in av bärbara sensorer och miljösensorer – som ger råd till personer som drabbas av tillstånd som kräver självförvaltning eller till personer som löper risk att utveckla sjukdom. Se en intervju med professor Viceconti (tidigare verkställande direktör för Insigneo) om detta ämne.

Hösten 2011 föreslogs utvecklingen av ett nytt forskningsinstitut inriktat på VPH-forskning i Sheffield, och i maj 2012 öppnade Insigneo-institutet för medlemskap. För mer information hänvisas till avsnitten om: Om Insigneo och Insigneo-institutet: Mission, Vision, History, Organisation.

The role of in silico medicine within biomedical research

Publiceringen 1823 av det första numret av Lancet markerade symboliskt det ögonblick på 1800-talet då revolutionen av biomedicinsk forskning inleddes. Ur denna expansion har den moderna biomedicinska forskningen fortsatt att organisera sig kring tre ganska olika paradigm, som var och en försöker hantera människokroppens omöjliga komplexitet:

• Cellulär- och molekylärbiologisk forskning, som drivs av en aggressivt reduktionistisk agenda och som fokuserar på små underenheter av systemet;
• Klinisk forskning, som till stor del behandlar människokroppen som en svart låda och huvudsakligen förlitar sig på statistisk analys av empiriska observationer;
• Fysiologisk forskning, som försöker undersöka människokroppen enligt det tillvägagångssätt som är typiskt för fysikaliska och tekniska vetenskaper.

Det tredje tillvägagångssättet, som motarbetades av de dramatiska begränsningarna i 1800- och det tidiga 1900-talets kalkylering och instrumentering, har fram till nyligen varit det minst framgångsrika av de tre, och dess betydelse har inte uppmärksammats särskilt mycket. Vi tror att två händelser håller på att förändra detta scenario.

Den första är de dramatiska framsteg som de fysiska och tekniska vetenskaperna har drivit fram när det gäller biomedicinsk instrumentering. Med hjälp av röntgenstrålar, magnetfält och ultraljud kan vi nu avbilda insidan av människokroppen med anmärkningsvärd noggrannhet; automatiserade kemiska analysatorer, spektroskop och sekvenseringsapparater erbjuder en biokemi med hög genomströmning som öppnar helt nya möjligheter; den moderna elektrofysiologins fantastiska kapacitet ger oss detaljer om hjärtats, musklernas och hjärnans funktion; rörelsefångst, dynamometri och bärbara sensorer ger oss en detaljerad bild av biomekaniken i mänsklig rörelse. Kort sagt kan vi i dag samla in ett enormt bibliotek av kvantitativa data om varje enskild patient som på ett mycket detaljerat sätt beskriver deras anatomi, fysiologi, biokemi, ämnesomsättning med mera.

Det andra är den häpnadsväckande sofistikerade beräkningen, tack vare framstegen inom matematik, beräkningsvetenskap och teknik samt modern hård- och mjukvara för att förbättra modellering och simulering. Denna utveckling är avgörande eftersom vi för första gången kan lösa det enorma antal komplexa matematiska ekvationer som kvantitativt kan beskriva många fysiologiska och patologiska processer. Vi har nu möjlighet att mäta eller beräkna i stort sett allt som krävs för en fullständig bedömning av varje enskild patient.

En utmaning med komplexa levande organismer är dock att de är dramatiskt sammanflätade, så att funktionen hos någon av delarna inte riktigt kan antas vara oberoende av alla andra. En stor del av den biologiska forskningen kringgår detta problem genom att åberopa reduktionism, och den kliniska forskningen kringgår det helt och hållet genom att ignorera alla försök att söka detaljerade mekanistiska förklaringar. Men en biomedicinsk forskningsagenda som bygger på fysikaliska och tekniska metoder måste ta itu med denna komplexitet, och detta är endast möjligt om vi använder matematiska och beräkningsmässiga metoder för att formulera våra teorier och kvantitativt jämföra deras förutsägelser med experimentella observationer som ett primärt medel för att bevisa eller falsifiera dem. Många av de stora utmaningarna inom den moderna medicinen (förebyggande, individanpassning, deltagande, med förutsägelser för visionen om en ”P4-medicin” som först beskrevs av Leroy Hood) skulle lätt kunna lösas genom en ökad förmåga att förutsäga sjukdomsförloppet och effekten av olika behandlingsalternativ för en viss individ.

Vi tror därför att in silicomedicin är den viktigaste kanalen genom vilken den senaste generationens stora fysiologer i slutändan kommer att få rätt, och en biomedicinsk vetenskap som bygger på metoder från fysikalisk vetenskap och ingenjörsvetenskap kommer att bli mer och mer framgångsrik. Vi hävdar att in silicomedicin representerar ett paradigmskifte i den mening som filosofen Thomas Kuhn föreslog, ”en grundläggande förändring av de grundläggande begreppen och experimentella metoderna inom en vetenskaplig disciplin”

Viktiga institutioner

• VPH-institutet för integrativ biomedicinsk forskning. Detta är den icke-vinstdrivande internationella organisation som representerar forskarsamhället inom VPH/in silicomedicin över hela världen.
• The Auckland Bioengineering Institute. Detta institut, som är hemvist för IUPS Physiome-projektet och leds av professor Peter Hunter, förblir den viktigaste institutionen på området i hela världen.
• Den nationella simuleringsresursen Physiome vid University of Washington Department of Bioengineering. Jim Bassingthwaighte’s team startade initiativet för hjärtfysiom och stöder ett antal viktiga tekniker, inklusive JSIM, det Java-baserade simuleringssystemet för konstruktion och drift av kvantitativa numeriska modeller.
• The Interagency Modeling and Analysis Group (IMAG). Sedan 2003 samordnar detta initiativ, som leds av Grace Peng, alla USA:s federala finansieringsorgan som stöder modellering och simuleringsforskning inom biovetenskaplig och biomedicinsk forskning.
• The Center for Advanced Medical Engineering and Informatics. Detta är ett referenscentrum i Japan som initierades 2004 av Global Centre of Excellence in silico medicine och finansieras av den japanska regeringen under ledning av professor Kurachi.
• Institutet för beräkningsmedicin vid John Hopkins University. Natalia Trayanovas laboratorium är bara en av de utmärkta forskargrupper som ingår i detta nyligen inrättade institut.
• Neuromuskulära biomekaniska laboratoriet vid Stanford University. Scott Delps grupp driver National Institutes of Health Big Data to Knowledge Mobilize Center of Excellence och NIH National Center for Simulation in Rehabilitation Research, som utvecklar och underhåller OpenSIM-programvaran.
• Institutionen för biomedicinsk teknik vid tekniska universitetet i Eindhoven. Institutionen är en av de främsta institutionerna för biomedicinsk teknik i Europa och har bland sina professorer flera ledare inom in silicomedicin, däribland Frans van de Vosse, Cees Oomens, Keita Ito och Dan Bader.

In Silico Medicine: Huvudsakliga resultat

Den amerikanska livsmedels- och läkemedelsmyndigheten FDA godkänner T1DMS, den första in silico diabetes typ I-modellen, som en möjlig ersättning för prekliniska djurförsök för nya kontrollstrategier för typ 1-diabetes, för att användas i tekniker för konstgjord bukspottkörteln.