Imec fa progressi nella creazione di un gemello digitale medico per la salute dell’intestino
La salute dell’intestino umano è strettamente correlata al benessere mentale, a varie malattie degenerative e all’infiammazione cronica. Una grande componente di questo è l’equilibrio dei microbi attraverso le diverse sezioni del tratto digestivo. I ricercatori hanno compiuto incredibili progressi nell’analisi dei microbi che escono dalla fine e nel prelevare campioni vicino a entrambe le aperture. Ma finora, la composizione relativa dei microbi nelle diverse sezioni nel mezzo è stata un po’ un mistero.
Un’ambiziosa collaborazione in Europa spera di cambiare la situazione costruendo un gemello digitale dell’intestino umano e la sua connessione a vari risultati sulla salute. All’Imec Future Summits Conference ad Anversa, Chris Van Hoof , VP of R&D di Imec e direttore generale del centro di ricerca OnePlanet, ha discusso lo sforzo dell’azienda per costruire un gemello digitale dell’intestino umano. Il team di Imec sta lavorando per raggiungere questo obiettivo combinando nuovi sensori, analisi e tecniche di apprendimento automatico con la guida di nutrizionisti, medici, ricercatori medici, progettisti di chip e data scientist.
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I ricercatori medici stanno facendo grandi progressi nella costruzione di gemelli digitali medici esplorando gli esseri umani dall’esterno. Ma finora ho poca comprensione di ciò che accade all’interno del tubo digerente.
“Puoi eseguire gastroscopia, colonscopia e analisi delle feci, ma nessuno ha tracciato l’intero tratto gastrointestinale”, ha detto Van Hoof a VentureBeat.
Imec è un hub di ricerca e sviluppo all’avanguardia che facilita la collaborazione del settore su chip di silicio, nanotecnologia e salute. L’attuale sforzo prevede la collaborazione con i ricercatori della Wageningen University and Research e del Radboud University Medical Center. E Van Hoof ha affermato che stanno sollecitando input e guida da altri per aiutare a guidare la ricerca e aumentare la ricerca iniziale.
La superficie più grande
Dal punto di vista medico, la superficie dell’intestino, chiamata lume, è al di fuori del corpo. I medici la considerano la superficie più grande del corpo umano, circa 30 mq. Agisce come filtro e custode per catturare i nutrienti ed espellere i rifiuti. E la salute dell’intestino è correlata a diabete, salute metabolica, perdita di peso, scarsa immunità, salute mentale e dozzine di malattie.
Ci sono circa 500-800 diverse popolazioni di microbi nel corpo. L’equilibrio relativo di queste popolazioni è spesso correlato a diverse malattie. Vari studi hanno collegato diverse malattie croniche a popolazioni microbiche. E molte malattie apparentemente non correlate condividono le firme comuni del microbioma, ha affermato Van Hoof.
I ricercatori non sanno perché le persone sviluppano una particolare combinazione o come sintonizzarla. In uno studio recente, alcuni colleghi di Van Hoof hanno seguito una dieta ricca di una serie di piante che potrebbero influire sulla salute dell’intestino. Tutti quelli che seguivano la dieta hanno visto un cambiamento, ma le differenze erano uniche per ogni individuo.
I tanti pezzi di un gemello digitale medico
Gli elementi del gemello digitale medico includono una nuova piattaforma di sensori incorporata in una pillola intelligente, una toilette che analizza feci e urine, un portapranzo intelligente, telecamere che tracciano cosa e come le persone mangiano e dispositivi indossabili per correlare queste misure con lo stress e il benessere mentale .
Per quanto riguarda l’ingeribile, è stato necessario molto lavoro per costruire un pacchetto resiliente che fosse abbastanza piccolo da essere ingerito, sufficiente per misurare le cose giuste e abbastanza robusto da sopravvivere all’ambiente ostile, adatto a scomporre la maggior parte delle sostanze. Ora stanno lavorando attraverso il processo di regolamentazione e come avviare i primi studi sull’uomo all’inizio del prossimo anno.
Il team voleva essere in grado di effettuare misurazioni chimiche e biologiche, registrare caratteristiche fisiche come il suono e comunicare in modalità wireless. Aveva anche bisogno di un’elettronica altamente efficiente, dal momento che doveva funzionare per un massimo di una settimana. Avevano anche bisogno di costruire una sorta di GPS per consentire allo stomaco di tracciare dove si muove nel corpo.
Modelli di messa a punto
Oggi, la conoscenza di quali fattori migliorano o peggiorano la salute dell’intestino è nota solo a livello di popolazione generale. Di conseguenza, i medici tendono a concentrarsi sui consigli a livello di popolazione, come evitare cibi grassi o piccanti, che non sono sempre utili.
“Speriamo di creare un modello della persona per vedere cosa causa virtualmente le riacutizzazioni in modo che la persona non sia una cavia per un trattamento”, ha detto Van Hoof, “Piuttosto il gemello digitale è la cavia da provare nuovi interventi per vedere cosa funzionerebbe meglio per loro”.
Il team sta esplorando una serie di strategie che vanno da gemelli digitali individualizzati a gemelli digitali più ampi per gruppi basati su genotipo, fenotipo o caratteristiche comportamentali o del microbioma. Van Hoof ha dichiarato: “C’è speranza che non dovremo creare miliardi di modelli. Piuttosto, potremmo creare alcuni modelli e poi perfezionarli in base ai dati che acquisiamo per renderlo più gestibile”.
La creazione di questi nuovi modelli richiederà un approccio diverso rispetto ad altri domini. Ad esempio, un ricercatore cardiovascolare può monitorare i dati dell’elettrocardiogramma per diagnosticare molte malattie senza sapere nulla di specifico sul paziente. “Ma non ci sono gold standard su come dovrebbe essere il segnale per la salute dell’intestino”, ha detto.
Approfondimento attuabile
Lo sforzo riguarda anche il lato UI del gemello digitale. La maggior parte dei paesi ha piramidi della salute di base che caratterizzano gli elementi di base di una dieta sana. Ma convincere le persone a mangiare di più di alcune cose e meno di altre richiede un approccio più comportamentale piuttosto che informativo.
Ad esempio, hanno creato una scatola di snack intelligente dotata di telecamere per studiare i comportamenti degli spuntini delle persone. Si scopre che molte persone, in particolare gli spuntini frequenti, tendono a mangiare più calorie di quante ne registrano a causa di schemi alimentari inconsci; e i sensori indossabili possono tenere traccia dei cambiamenti mentali e dello stress prima che qualcuno raggiunga uno spuntino.
“Vediamo cambiamenti fisiologici prima che una persona desideri ardentemente dei dolci. Questo fa parte del modello che speriamo di collegare alla salute dell’intestino, dove possiamo catturare questi segnali e, si spera, guidare le persone verso alternative sane”, ha affermato Van Hoof.
Costruire la giusta struttura di dati
Un gemello digitale della salute intestinale implica la raccolta di dati da molte fonti e nessuno è sicuro di come farlo su larga scala. Lungo la strada, la speranza è che il gemello digitale possa funzionare con sensori, applicazioni e infrastrutture di dati di molte parti. Ma nel frattempo, il gruppo sta integrando tutto nell’infrastruttura OpenPlanet di Imec , una piattaforma low-code per la ricerca sanitaria e ambientale.
OpenPlanet include applicazioni per la raccolta dei dati, la connettività dei dati, l’archiviazione e l’analisi. Supporta anche algoritmi e applicazioni curati per vari casi d’uso. Ad esempio, i dati dei dispositivi indossabili possono essere condivisi in tempo reale tra medico e paziente o tra un gemello digitale e un avatar sanitario. Ciò può aiutare a democratizzare l’accesso ai gemelli digitali in aggiunta a modelli predefiniti, formati di dati e flussi di lavoro di apprendimento automatico gestiti con adeguate barriere di sicurezza e privacy.
Van Hoof ritiene che la ricerca precedente sulla relazione tra la salute dell’intestino e altri domini sia stata ostacolata a causa dei diversi modi di raccogliere, formattare e analizzare i dati. Evitano questi problemi costruendo e integrando tutti i pezzi internamente. Strumenti come l’apprendimento federato potrebbero aiutare a supportare una gamma più ampia di sensori, origini dati e applicazioni in futuro.
La creazione di un gemello digitale richiederà studi più ampi e molti partner con competenze mediche, commerciali e sanitarie. Van Hoof ha affermato che stanno cercando altre parti che si uniscano allo sforzo di aziende di alimenti e bevande, farmaceutiche e di tecnologia medica.
