{"id":49105,"date":"2024-06-24T13:22:47","date_gmt":"2024-06-24T11:22:47","guid":{"rendered":"https:\/\/www.h-its.org\/de\/?p=49105"},"modified":"2024-12-12T10:52:17","modified_gmt":"2024-12-12T09:52:17","slug":"dmq-digitale-zwillinge","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.h-its.org\/de\/2024\/06\/24\/dmq-digitale-zwillinge\/","title":{"rendered":"Neu: Digitale Zwillinge f\u00fcr Neugeborene"},"content":{"rendered":"\n

Forschende der Universit\u00e4t Heidelberg, des HITS und der Universit\u00e4t Galway, Irland, haben erstmals die gesundheitliche Entwicklung von S\u00e4uglingen f\u00fcr deren gesamten Stoffwechsel simuliert. Dazu entwickelten sie mathematische Modelle f\u00fcr die Stoffwechselprozesse von Neugeborenen. Die Modelle sollen zu einem besseren Verst\u00e4ndnis von seltenen Stoffwechselerkrankungen beitragen.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Seit Jahren arbeitet die medizinische Forschung an individuell passgenauen Medikamenten und Therapien f\u00fcr jeden Menschen, mit dem Ziel einer personalisierten Medizin. Dabei setzt sie sogenannte digitale Zwillinge ein, die mit Algorithmen und Daten den Stoffwechsel simulieren und durch die dabei entwickelten Modelle auch die Dynamik einzelner Organe ber\u00fccksichtigen. F\u00fcr Erwachsene gibt es bereits einige \u201edigital twins,\u201c f\u00fcr S\u00e4uglinge indes fehlten bislang solche Modelle. Dabei unterscheidet sich der Stoffwechsel von Babys erheblich von dem Erwachsener.<\/p>\n\n\n

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\"test2\"<\/a>
Digitale Zwillinge k\u00f6nnen k\u00fcnftig die Versorgung schwer erkrankter Kinder wesentlich verbessern. (Foto: HITS)<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Ein internationales Team von Forschenden der Universit\u00e4t Heidelberg, des Heidelberger Instituts f\u00fcr Theoretische Studien (HITS) und der University of Galway, Irland, hat jetzt mathematische Modelle entwickelt, die die gesundheitliche Entwicklung von Neugeborenen in den kritischen ersten 180 Lebenstagen simulieren. Die Modelle decken den organspezifischen Stoffwechsel von weiblichen und m\u00e4nnlichen Babys ab und integrieren 26 Organe, sechs Zelltypen und mehr als 80.000 Stoffwechselreaktionen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift \u201eCell Metabolism\u201c ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n\n\n\n

Spurensuche im Stoffwechsel der S\u00e4uglinge: Der Weg zum mathematischen Modell<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u201eS\u00e4uglinge sind keine kleinen Erwachsenen. Sie weisen spezielle metabolische Eigenschaften auf, die f\u00fcr ihre Entwicklung und ein gesundes Wachstum kennzeichnend sind\u201c, erkl\u00e4rt Elaine Zaunseder<\/a> (HITS und Universit\u00e4t Heidelberg), die Erstautorin der Studie. So haben Neugeborene im Verh\u00e4ltnis zu ihrer K\u00f6rperoberfl\u00e4che wesentlich weniger Masse als Erwachsene und ben\u00f6tigen deshalb mehr Energie f\u00fcr die Regulierung der K\u00f6rpertemperatur. Sie k\u00f6nnen aber in den ersten sechs Lebensmonaten nicht zittern, so dass Stoffwechselprozesse daf\u00fcr sorgen m\u00fcssen, dass der S\u00e4ugling warm bleibt. \u201eEin wesentlicher Teil unserer Arbeit bestand deshalb darin, diese Stoffwechselprozesse zu identifizieren und in mathematische Konzepte zu \u00fcbersetzen, die im Modell angewendet werden k\u00f6nnen\u201c, so Zaunseder. Sie forscht am Engineering Mathematics and Computing Lab (EMCL) <\/a>am IWR der Universit\u00e4t Heidelberg und ist Mitglied der Data Mining and Uncertainty Quantification Gruppe<\/a> am HITS, beides unter der Leitung von Vincent Heuveline<\/a>. Die Studie entwickelte sie gemeinsam mit Forschenden der School of Medicine an der Universit\u00e4t von Galway und der Klinischen Forschungsgruppe in der Sektion Neurop\u00e4diatrie und Stoffwechselmedizin des Universit\u00e4tsklinikums Heidelberg, unter der Leitung von Stefan K\u00f6lker.<\/p>\n\n\n

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\"\"<\/a>

Mathematisches Modell des Stoffwechsels von Neugeborenen (infant-WBM). Es sagt das Wachstum von S\u00e4uglingen und bekannte Biomarker von erblichen Stoffwechselkrankheiten vorher.<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Die komplexen Reaktionen und Beziehungen im Stoffwechsel k\u00f6nnen als Graph verstanden werden, der mathematisch in eine sogenannte stoichiometrische Matrix \u00fcbersetzt wird. Diese Matrix enth\u00e4lt alle Informationen \u00fcber die Metaboliten, als chemische Verbindungen, die in den Reaktionen der einzelnen Organe entstehen. Die verschiedenen Organe sind metabolisch und im Modell \u00fcber den Blutfluss verkn\u00fcpft. Die Matrix wird genutzt, um ein lineares Optimierungsproblem im Stoffwechselmodell zu definieren.<\/p>\n\n\n\n

Dieses Problem wird f\u00fcr Zellwachstum in den Organen und damit f\u00fcr den K\u00f6rperwachstum des Babys maximiert und von einem Optimierungsalgorithmus gel\u00f6st, um die Fl\u00fcsse durch die Stoffwechselreaktionen zu berechnen. \u201eZur weiteren Verfeinerung des Modells haben wir reale Daten von Neugeborenen, einschlie\u00dflich physiologischer Parameter, Geschlecht, Geburtsgewicht und Metabolitkonzentrationen, verwendet und die Modelle entsprechend personalisiert\u201c, f\u00fchrt Zaunseder aus. <\/p>\n\n\n\n

Mathematik hilft Medizin: Auf dem Weg zu individuellen Therapien<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Mathematisch wird das Babymodell als lineares Optimierungsproblem beschrieben. Die Forschung des Teams zielt darauf ab, die Pr\u00e4zisionsmedizin mithilfe von computergest\u00fctzten Modellen voranzutreiben. Die Forscher bezeichnen die computergest\u00fctzte Modellierung von S\u00e4uglingen als zukunftstr\u00e4chtig, da sie das Verst\u00e4ndnis des kindlichen Stoffwechsels verbessert und M\u00f6glichkeiten zur Verbesserung der Diagnose und Behandlung von Krankheiten in den ersten Lebenstagen eines S\u00e4uglings schafft, wie z.B. seltene Stoffwechselkrankheiten.<\/p>\n\n\n\n

„Diese Arbeit ist ein erster Schritt zur Erstellung digitaler metabolischer Zwillinge f\u00fcr S\u00e4uglinge, die einen detaillierten Einblick in ihre Stoffwechselprozesse bieten\u201c, fasst Elaine Zaunseder zusammen. \u201eDie digitalen Zwillinge haben das Potenzial, die p\u00e4diatrische Gesundheitsversorgung zu revolutionieren, indem sie ein ma\u00dfgeschneidertes Krankheitsmanagement f\u00fcr den individuellen Stoffwechsel jedes Kindes erm\u00f6glichen.“<\/p>\n\n\n\n

Das best\u00e4tigt auch Georg Friedrich Hoffmann<\/a>, Direktor des Zentrums f\u00fcr Kinder- und Jugendmedizin am Universit\u00e4tsklinikum Heidelberg und Ordinarius an der Medizinischen Fakult\u00e4t Heidelberg: \u201eGerade bei seltenen angeborenen Stoffwechselerkrankungen k\u00f6nnten Digitale Zwillinge die Versorgung von schwer, oft lebensbedrohlich erkrankten Kindern zuk\u00fcnftig wesentlich verbessern. Selbst an hoch spezialisierten Zentren, an denen seltene Erkrankungen idealerweise behandelt werden, gibt es oft wenig Erfahrung mit den Auswirkungen spezieller Therapien und Eingriffe auf den einzelnen Patienten. Eine Simulation therapeutischer Ma\u00dfnahmen mit Hilfe eines Digitalen Zwillings w\u00fcrde wesentlich pr\u00e4zisere Behandlungsm\u00f6glichkeiten schaffen.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Publikation:
<\/strong>Zaunseder E et al: Personalized metabolic whole-body models for newborns and infants predict growth and biomarkers of inherited metabolic diseases. Cell Metabolism, 4 June 2024. (DOI: 10.1016\/j.cmet.2024.05.006)
Link zur Publikation: <\/em>https:\/\/www.cell.com\/cell-metabolism\/fulltext\/S1550-4131%2824%2900182-7<\/em><\/a><\/p>\n\n\n\n

<\/p>\n\n\n\n

Wissenschaftlicher Kontakt:<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Elaine Zaunseder
Engineering Mathematics and Computing Lab (EMCL), Universit\u00e4t Heidelberg
https:\/\/emcl.iwr.uni-heidelberg.de\/<\/a>
Data Mining and Uncertainty Quantification Group <\/a>(DMQ), Heidelberger Institut f\u00fcr Theoretische Studien (HITS)<\/p>\n\n\n\n

Medienkontakt:
<\/strong>Dr. Peter Saueressig<\/a>
Head of Communications
Heidelberger Institut f\u00fcr Theoretische Studien (HITS)<\/p>\n\n\n\n

Marietta Fuhrmann-Koch<\/a>
Pressesprecherin, Leiterin Kommunikation und Marketing
Universit\u00e4t Heidelberg<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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