Cyfrowe bliźniaki mają pomóc w rozwoju leków i technologii medycznych

Polska Mapa Infrastruktury Badawczej (PMIB) to prowadzony przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego wykaz istniejących i planowanych urządzeń, laboratoriów oraz systemów uznanych za szczególnie ważne dla rozwoju nauki i kraju. Po aktualizacji przeprowadzonej w latach 2024-2026 Mapa liczy 165 infrastruktur i projektów. Ich oceny dokonano z udziałem ok. 300 recenzentów z Polski i zagranicy. Wpis na listę potwierdza znaczenie przedsięwzięcia i otwiera dostęp do określonych konkursów o finansowanie, ale nie oznacza automatycznego przyznania pieniędzy.

Jednym z takich przedsięwzięć jest TwinMed, czyli Centrum Technologii Cyfrowego Bliźniaka w Biomedycynie i Medycynie Personalizowanej. Pod tą nazwą kryje się plan stworzenia wspólnego zaplecza dla naukowców i firm: komputerów do zaawansowanych obliczeń, oprogramowania oraz narzędzi do bezpiecznej pracy z danymi medycznymi. TwinMed nie ma być pojedynczym centrum obliczeniowym, lecz rozproszoną infrastrukturą łączącą dane, aparaturę, moc obliczeniową i kompetencje wielu ośrodków, tak aby umożliwiać badania, których pojedyncza jednostka nie byłaby w stanie przeprowadzić samodzielnie.

Koncepcję współtworzyło Małopolskie Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego (MCB UJ), które jest liderem konsorcjum, a aplikację o wpis na PMIB przygotowano we współpracy z ACK Cyfronet AGH, Wrocławskim Centrum Sieciowo-Superkomputerowym Politechniki Wrocławskiej oraz Sano - Centrum Zindywidualizowanej Medycyny Obliczeniowej - Międzynarodową Fundacją Badawczą. W prace zaangażowane są także inne jednostki UJ i Collegium Medicum UJ.

Jak wyjaśnił w rozmowie z PAP koordynator projektu dr hab. inż. Paweł Łabaj, prof. UJ, pomysł wyrósł z przeglądu badań prowadzonych w krakowskich ośrodkach. Okazało się, że wiele zespołów rozwija już komputerowe modele procesów biologicznych - od poziomu pojedynczych cząsteczek po narządy i populacje. TwinMed ma zapewnić warunki do ich dalszego rozwijania, sprawdzania ich działania i udostępniania innym badaczom oraz przedsiębiorstwom.

W praktyce oznacza to rozbudowę centrów obliczeniowych oraz uruchomienie lokalnych węzłów w placówkach, w których dane powstają lub są przygotowywane do analiz.

O środki na realizację projektu jego twórcy zamierzają się ubiegać ze źródeł finansowania przeznaczonych dla przedsięwzięć wpisanych na PMIB, m.in. z programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki (FENG).

Jak powiedział prof. Łabaj, cyfrowe bliźniaki to komputerowe modele np. białek, tkanek, narządów czy pacjentów, powiązane z rzeczywistymi pomiarami. Wraz z pojawianiem się nowych danych takie modele mogą być aktualizowane, dzięki czemu odzwierciedlają zmiany zachodzące w rzeczywistym obiekcie lub procesie. Na poziomie molekularnym pozwalają one m.in. sprawdzać, do których fragmentów białek mogą przyłączyć się substancje wykorzystywane w diagnostyce lub leczeniu. Modele tkanek umożliwiają z kolei badanie rozprzestrzeniania się wirusów, a modele mikrobiomu jelitowego pomagają oceniać wpływ leków na żyjące w układzie pokarmowym mikroorganizmy.

Jeszcze innym zastosowaniem cyfrowych bliźniaków są wirtualni pacjenci do kształcenia lekarzy i przygotowywania zabiegów. Modele populacji mogą natomiast pomóc ustalać, jak rozprzestrzeniają się patogeny, i tworzyć systemy wczesnego ostrzegania przed epidemiami.

- Osobnym kierunkiem jest generowanie sztucznych pacjentów, czyli zestawów danych, które odzwierciedlają cechy i stan zdrowia tych prawdziwych. Takie podejście może być pomocne zwłaszcza w chorobach rzadkich, w których liczba chorych, a więc i danych do badań, jest ograniczona - wytłumaczył prof. Łabaj.

- Cyfrowy bliźniak może przez to wszystko ograniczyć wykorzystanie zwierząt laboratoryjnych - dodał. Choć, jak zaznaczył, nie oznacza to całkowitego wyeliminowania takich doświadczeń ani potrzeby rzeczywistych obserwacji chorych czy grup kontrolnych.

Naukowiec wytłumaczył też, że sama idea cyfrowego bliźniaka nie jest nowa i rozwijają ją różne zespoły na świecie. W jego ocenie w Europie brakuje jednak wspólnego zaplecza, które pozwalałoby sprawdzać takie modele na danych z różnych ośrodków i udostępniać je większej liczbie naukowców oraz firm. Tę lukę ma wypełnić TwinMed (www.twinmed.pl).

- Narzędzie wytrenowane na danych z jednego szpitala trzeba bowiem ocenić na niezależnych zbiorach, obejmujących pacjentów z innych placówek i regionów. Dopiero takie porównanie pozwala określić, w jakich warunkach można mu ufać - powiedział naukowiec.  

TwinMed ma zapewniać bezpieczny dostęp do danych medycznych na dwa sposoby. W pierwszym będą one trafiać do chronionego środowiska obliczeniowego, a firma lub instytucja będzie mogła umieścić tam swój model, trenować go i sprawdzać jego skuteczność, bez pobierania dokumentacji pacjentów na własne komputery. W drugim wariancie dane pozostaną w szpitalach lub innych placówkach, które je zgromadziły. To tam trafi model lub zadanie obliczeniowe, a na zewnątrz będą przekazywane jedynie odpowiednio zabezpieczone wyniki lub aktualizacje.

Jak wyjaśnił prof. Łabaj, TwinMed ma też pomóc przygotować się do nowych unijnych zasad korzystania z danych medycznych, które  w zeszłym roku zostały przyjęte na poziomie UE, a obecnie są wdrażane do prawodawstwa krajów członkowskich. Chodzi o to, by informacje zebrane podczas leczenia pacjentów mogły służyć również naukowcom i firmom, np. do opracowywania leków czy sprawdzania nowych metod diagnostycznych. Dostęp będzie wymagał zezwolenia, a analizy mają odbywać się w warunkach chroniących prywatność pacjentów.

TwinMed ma zapewnić narzędzia do przygotowania i zabezpieczenia tych danych oraz środowisko komputerowe, w którym uprawnione zespoły będą mogły je analizować. Jak zaznaczył Łabaj, sposób pracy wypracowany w projekcie mógłby posłużyć za wzór dla szpitali w całej Polsce, a docelowo z tego zaplecza mieliby korzystać także partnerzy z innych krajów.

- Pojawienie się takiej platformy byłoby korzystne dla Polski, ale też dość unikalne na skalę europejską - podsumował ekspert.

Katarzyna Czechowicz (PAP)

kap/ zan/