Pädiatrische Gesundheitsversorgung Digitale Zwillinge: Mathematische Modelle simulieren gesundheitliche Entwicklung Neugeborener

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Digitale Zwillinge sollen zu einem besseren Verständnis von Stoffwechsel-Erkrankungen bei Neugeborenen beitragen. Das Ziel: Die Simulation der Entwicklung von Säuglingen in den kritischen ersten 180 Lebenstagen. 

Seit Jahren arbeitet die medizinische Forschung an individuell passgenauen Medikamenten und Therapien für jeden Menschen – mit dem Ziel einer personalisierten Medizin. Dabei setzt sie für Erwachsene sogenannte digitale Zwillinge ein. Doch für Säuglinge fehlten jedoch bislang solche Modelle. Dabei unterscheidet sich der Stoffwechsel von Babys erheblich von dem Erwachsener. 

Ein internationales Team von Forschern der Universität Heidelberg, des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien (HITS) und der irischen University of Galway hat jetzt mathematische Modelle entwickelt, welche die gesundheitliche Entwicklung von Neugeborenen in den kritischen ersten 180 Lebenstagen simulieren. Die Modelle decken den organspezifischen Stoffwechsel von weiblichen und männlichen Babys ab und integrieren 26 Organe, sechs Zell-Typen und mehr als 80.000 Stoffwechselreaktionen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Cell Metabolism“ veröffentlicht.

Spurensuche im Stoffwechsel der Babys

„Säuglinge sind keine kleinen Erwachsenen. Sie weisen spezielle metabolische Eigenschaften auf, die für ihre Entwicklung und ein gesundes Wachstum kennzeichnend sind“, erklärt Elaine Zaunseder. Sie forscht am Engineering Mathematics and Computing Lab (EMCL) am IWR der Universität Heidelberg und ist Mitglied der Data Mining and Uncertainty Quantification Gruppe am HITS. 

Die digitalen Zwillinge haben das Potenzial, die pädiatrische Gesundheitsversorgung zu revolutionieren, indem sie ein maßgeschneidertes Krankheitsmanagement für den individuellen Stoffwechsel jedes Kindes ermöglichen.

Elaine Zaunseder, Universität Heidelberg

So haben Neugeborene im Verhältnis zu ihrer Körperoberfläche wesentlich weniger Masse als Erwachsene und benötigen deshalb mehr Energie für die Regulierung der Körpertemperatur. Babys können aber in den ersten sechs Lebensmonaten nicht zittern, so dass Stoffwechselprozesse dafür sorgen müssen, dass der Säugling warm bleibt. „Ein wesentlicher Teil unserer Arbeit bestand deshalb darin, diese Stoffwechselprozesse zu identifizieren und in mathematische Konzepte zu übersetzen, die im Modell angewendet werden können“, so Zaunseder.

Digitale Zwillinge: Mathematik hilft der Medizin

Mathematisch werden digitale Zwillinge der Babys als sogenannte lineare Optimierungsprobleme beschrieben. Die Forschung  zielt darauf ab, die Präzisionsmedizin mithilfe von computergestützten Modellen voranzutreiben. Die Forscher bezeichnen die computergestützte Modellierung von Säuglingen als zukunftsträchtig, da sie das Verständnis des kindlichen Stoffwechsels verbessert und Möglichkeiten zur Verbesserung der Diagnose und Behandlung von Krankheiten in den ersten Lebenstagen eines Säuglings schafft, zum Beispiel seltene Stoffwechselkrankheiten.

Digital Twin

Digitales Zwillingsherz: Schneller, höher, weiter

„Diese Arbeit ist ein erster Schritt zur Erstellung digitaler metabolischer Zwillinge für Säuglinge, die einen detaillierten Einblick in ihre Stoffwechselprozesse bieten“, fasst Elaine Zaunseder zusammen. „Die digitalen Zwillinge haben das Potenzial, die pädiatrische Gesundheitsversorgung zu revolutionieren, indem sie ein maßgeschneidertes Krankheitsmanagement für den individuellen Stoffwechsel jedes Kindes ermöglichen.“