Der digitale Zwilling des Herzens: „Lösungen für den individuellen Patienten“

Wissenschaftler der Klinik für Kardiologie am Universitätsklinikum Heidelberg entwickeln gemeinsam mit Siemens Healthineers einen digitalen Zwilling des Herzens, um die kardiologische Behandlung viel stärker auf den einzelnen Patienten zuzuschneiden. Prof. Dr. Benjamin Meder, stellvertretender Ärztlicher Direktor und Leiter des Instituts für Cardiomyopathien Heidelberg, verrät, wie weit die Arbeiten gediehen sind.

Was genau ist der digitale Zwilling des Herzens?

Prof. Dr. Benjamin Meder: Den Begriff Zwilling meinen wir symbolisch und denken dabei an eine Repräsentation des Patienten, die möglichst gut den Aufbau und die Funktion seines Herzens und eventueller Herzerkrankungen wiedergibt. Dies ist also ein sehr individualisierter Ansatz der Medizin. Diesen digitalen Zwilling möchten wir nicht nur diagnostisch verwerten, sondern an ihm auch gefahrlos Eingriffe testen. So könnten beispielsweise bestimmte Herzmedikamente am digitalen Herzzwilling ausprobiert werden, um zu sehen, ob sie wirken. Oder wir simulieren Herzkathetereingriffe und Herzoperation im Vorfeld digital, um nur dann aktiv zu werden, wenn es eine realistische Erfolgschance gibt. Damit so etwas funktioniert, müssen wir die Biologie des echten Herzens so genau wie möglich simulieren. Daher sind neben klinischen Untersuchungen sicherlich auch molekulare Informationen sinnvoll.

Inwieweit geht ein digitaler Zwilling des Herzens über andere Modelle für eine kardiovaskuläre Risikoprädiktion hinaus?

Meder: In der Kardiologie werden vielfältige Risikomodelle eingesetzt. So wissen wir zum Beispiel, dass die Bestimmung des hochsensitiven Troponins oder der Ejektionsfraktion der linken Herzkammer bereits sehr viel über das Krankheitsrisiko einer Person aussagen. Beim einzelnen Patienten ist diese starke Vereinfachung auf wenige Variablen aber oft zu wenig aussagekräftig, um beispielsweise die Effektivität einer Therapie vorherzusagen. Komplexere Modelle wie ein digitaler Zwilling des Herzens könnten es uns in Zukunft erlauben, vielfältige Therapieoptionen im Vorfeld zu überprüfen. Wichtig ist dabei immer: Wir wollen Lösungen für den individuellen Patienten finden und nicht nur generelle Aussagen über Risikokollektive treffen.

Sie haben jetzt rund sechs Jahre an diesem Projekt gearbeitet. Was waren die besonderen Herausforderungen?

Meder: Neben allen technischen Herausforderungen gilt es, eine verlässliche Zusammenarbeit zwischen unterschiedlichen Expertisen sicherzustellen. Dazu zählt auch die Zusammenarbeit von Industrie und Universität. Ich denke, in Zukunft brauchen wir im Bereich Künstliche Intelligenz eine viel stärkere Verschränkung, da jeder Bereich besondere Fähigkeiten hat und eine eigene Sichtweise auf eine Lösung bereitstellt. Die Stärken der Mediziner liegen im Erkennen von medizinischen Bedürfnissen und ethischen Fragestellungen, in der präzisen Annäherung an eine Lösung, ohne dabei Risiken außer Betracht zu lassen. In Heidelberg haben wir zudem jahrzehntelange Expertise im Bereich der molekularen Kardiologie und verstehen sehr gut, wie Erkrankungen von der Ursache bis zum Organversagen voranschreiten. Die Stärken der Industrie liegen im Umsetzungs-Knowhow.

An welchen konkreten Einsatzszenarien für den digitalen Zwilling des Herzens arbeiten Sie?

Meder: Durch KI-Technologien werden in nächster Zukunft vor allem bessere Diagnoseverfahren realistisch, die eine Vielzahl an Daten einbinden. Algorithmen werden uns auch helfen, individuelle Verläufe von Herzerkrankungen zu verfolgen und daraus für jeden neuen Patienten zu lernen. Ich denke, besonders im Bereich der Simulation von Eingriffen mittels Herzkatheter oder Operation ist es sehr wichtig, Risiken zu vermeiden und den Eingriff optimal durchzuführen. Wenn Sie einen Eingriff am Herzen machen, sollte alles „sitzen“. Sie haben keinen zweiten und dritten Versuch wie beim Auto, deswegen müssen Therapien mit einem gewissen Risiko vorab geplant und im Idealfall simuliert werden. Bereits heute simuliert ein interventioneller Kardiologe in seinen Gedanken den anstehenden Eingriff. Wäre es nicht toll, wenn dieser „biologische Simulator“ immer die gleiche Qualität hätte? Um dem näher zu kommen, wurde in Heidelberg jetzt die Professur für „Künstliche Intelligenz in der Kardiovaskulären Medizin“ ausgeschrieben und das „Informatics for Life“-Programm etabliert, das eine Vielzahl begabter Herz- und Computerforscher zusammenbringt – und hoffentlich auch die besten Unternehmen als Partner haben wird.

Wie ist der aktuelle Stand? Sind bereits Algorithmen für bestimmte Prädiktionen oder Simulationen entwickelt?

Meder: Wir werden in Heidelberg ein neues Herzzentrum bauen, das neben einer exzellenten Herzmedizin genau diesen Zweck verfolgt. Daten sollen in einem geschützten und vertrauenswürdigen Umfeld im Sinne der Patienten für die Entwicklung der Herzmedizin 4.0 verwendet werden. Nur Firmen mit einem ebenso hohen Anspruch können Partner in diesem Konstrukt werden. Ein konkreter Algorithmus, den wir bereits evaluieren, betrifft die Prädiktion von Ergebnissen der kardialen Resynchronisationstherapie (CRT). Das ist sozusagen unser Pilotprojekt, bei dem wir eng mit Siemens Healthineers kooperieren. Die Herausforderung bei der CRT ist, dass wir die Patienten, die von dieser Behandlung profitieren, bisher nur sehr ungenau charakterisieren können. Das führt dazu, dass Patienten solche Implantate bekommen, die davon nicht viel haben, und umgekehrt Patienten, die vielleicht davon profitieren würden, sie nicht oder zu spät erhalten. Hier wollen wir mit dem digitalen Zwilling dafür sorgen, dass wir gezielter behandeln können. Die erste Studie zu dieser Fragestellung ist aktuell in der Datenauswertung. Wir hoffen, dass wir die Ergebnisse zügig publik machen können.

Wo sehen Sie die spezifischen Herausforderungen im Hinblick auf einen klinischen Einsatz solcher Algorithmen? Und was bedeutet das für klinische Studien?

Meder: Klinische Studien erlauben die objektive Testung neuer Verfahren und müssen jeder Routinebehandlung vorausgehen. Im Zeitalter der Präzisionsmedizin werden die Studien jedoch anders aussehen, insbesondere wird sehr viel Wert darauf gelegt, den einzelnen Studienteilnehmer bestens zu verstehen. Allein hierfür hilft schon der Ansatz des digitalen Zwillings. Ich würde behaupten wollen, dass es bisher weltweit keinen vergleichbaren Ansatz gab, die Herzerkrankungen individueller Patienten besser zu verstehen. Die nächsten Jahre werden hoffentlich zeigen, dass das einen wesentlichen Beitrag zur Herzgesundheit leisten kann.

Herr Professor Meder, vielen Dank für das Gespräch.

Philipp Grätzel von Grätz arbeitet als unabhängiger Journalist und Redakteur für medizinische Themen und Technikthemen in Berlin.