Digitala tvillingar för att förstå hur kroppen fungerar

I framtiden kanske en datorkopia av just din kropp – en digital tvilling – kan hjälpa dig leva hälsosamt. Vid LiU utvecklas matematiska modeller som verktyg för bättre hälsa. Här arbetar civilingenjörer i teknisk biologi tillsammans med psykologer, mjukvarututvecklare, beteendevetare och läkare.

Fotomontage, Gunnar Cedersund både spelar på flygeln och står bredvid och lyssnar.Digitala tvillingar. Här är Gunnar Cedersund i dubbel upplaga med hjälp av ett fotomontage. Foto Magnus Johansson– När man vill förutse vädret eller skicka upp en rymdraket bygger man en datormodell över de processer och krafter som man tror påverkar hur vädret ändrar sig eller rymdraketen rör sig. Vi gör på samma sätt, men för processer i kroppen, säger Gunnar Cedersund, universitetslektor vid Institutionen för medicinsk teknik, IMT.

I varje organ i kroppen pågår hela tiden en mängd processer. Varje process kan beskrivas med matematiska ekvationer, som kan byggas ihop till en avancerad modell av hur organet fungerar. Genom att mata in en persons egna data kan den generella modellen anpassas till individens egna förutsättningar – en digital tvilling. Forskarnas mål är att modellerna ska kunna räkna ut vad som kommer att hända när man ändrar något i systemet, exempelvis hur blodtrycket påverkas av ett läkemedel.

– Vi jobbar på att skapa appar där vem som helst kan titta in i sin digitala tvilling och använda modellen för att förstå i vardagen hur de ska äta, träna eller påminnas om varför de ska ta sin medicin.

I skärningspunkten mellan biologi och matte

Men först backar vi tjugo år. Gunnar Cedersund läste till civilingenjör i teoretisk fysik vid Linköpings universitetet. Han drogs till relativitetsteori och kvantmekanik, lockad av att förstå gränsen för mänsklig kunskap.

– Jag ville förstå vad vi kan veta och vad vi inte kan veta.

Men han började tycka att de mest spännande sakerna inom fältet hade hundra år på nacken. Han fick i stället upp ögonen för ett område där matematik och biologi möttes.

– Det som jag forskar på i dag kallades då för kaosteori och komplexitetsteori. Jag insåg att fältet befann sig i en fas där förståelsen förändrades på en grundläggande nivå. Det var det här jag skulle hålla på med.Gunnar Cedersund framför bild som illustrerar modellerna av olika organ.Den digitala tvillingen består av modeller för flera organ som kopplats ihop med varandra och anpassats till en individs egna data. I den kan forskarna exempelvis simulera effekten av olika typer av dieter. Foto Magnus Johansson

Och så blev det. Under sin forskarutbildning vid Institutionen för systemvetenskap, ISY, tog han avstamp i tekniker för att bygga avancerade matematiska modeller och började anpassa dem för biologiska system. Runt tjugo år senare har han och hans kollegor steg för steg byggt upp modeller för olika aspekter av de flesta organ i kroppen, som fett- och muskelvävnad, lever, hjärna och blod. Nu har de kommit så långt att de kopplat ihop organmodellerna i en stor modell för kroppen. Än så länge kan ingen datormodell beskriva en hel levande varelse, i alla detaljer, men de stora dragen för exempelvis ämnesomsättning och blodflöde börjar falla på plats. Med denna modell som ram kan forskarna nu lägga till nya detaljer på ett enklare sätt.

– Ett exempel är att vi nu kan simulera effekten av olika dieter, som har olika innehåll av proteiner, kolhydrater och liknande. Detta är möjligt för att vi för första gången har kopplat ihop en detaljerad modell för levermetabolism med en måltidsmodell som också innehåller andra organs ämnesomsättning. Tidigare modeller har inte kunnat beskriva omvandlingen mellan proteiner och socker, och därför inte kunnat simulera effekten av olika dieter.

Gunnar Cedersund ser stora möjligheter att på sikt använda digitala tvillingar för att hjälpa människor att främja sin egen hälsa. I sitt företag utvecklar han produkter för e-hälsa baserat på sin forskning. Han menar att forskningsfältet matematisk modellering inom biologi inte har vuxit särskilt mycket sedan han började. Däremot har det mognat.

– Jag tror att när våra digitala tvillingar blir tillgängliga som en mobilapp om ett år eller två, kan folk ha med sig den när de träffar läkaren. Du kan ha en aktivitetsklocka på dig, en stegräknare i telefonen, kanske en blodsockermätare om du är diabetiker – det samlas in massor av data hela tiden. Vi samarbetar med aktörer som har data, som vår typ av modell kan sammanställa till en helhet.

Organ på chip

Modellerna kan också användas inom läkemedelsutveckling, något som forskargruppen utforskar med läkemedelsföretaget AstraZeneca. Här använder de en teknik som blivit ett allt vanligare alternativ till djurförsök, och som enkelt uttryckt innebär att man bygger upp ytterst små ”organ” av levande celler på ett chip: organ-on-a-chip. Ett chip är ungefär lika stort som en USB-sticka. På det kan man koppla ihop ett par olika miniorgan. I stället för att göra experiment på djur gör forskarna tester på chippet, som LiU-forskarna har gjort en digital tvilling för.

– Vi kan testa läkemedel på organ-on-a-chip och analysera data för att förstå vad läkemedlet gör med cellerna. Men vi kan också översätta data från experimenten till en modell för människan för att titta på hur lovande läkemedlet verkar vara för användning på riktiga människor, säger Gunnar Cedersund.

De använder detta tillvägagångssätt på läkemedel riktade mot diabetes och hjärt-kärlsjukdom, två av de största folksjukdomarna i Sverige.

Alla ska kunna bidra

Gunnar Cedersund och kollegor vill lägga grunden för en typ av artificiell intelligens, AI, för sjukvården som bygger på dessa mekanistiska modeller av biologiska processer. Den skiljer sig från traditionell AI på flera punkter.

Gunnar Cedersund.Gunnar Cedersund. Foto Magnus JohanssonDen mesta AI i dag är konstruerad på ett sätt som gör att en människa inte kan förstå vad som leder fram till det svar som AI:n ger. Det är som en svart låda som vi inte kan titta in i, och kallas därför ”black box AI”. Med LiU-forskarnas modeller däremot är det möjligt att se vad som händer inne i ”lådan”, eftersom de består av matematiska beskrivningar av de biologiska processerna. Modellen kan också bidra till helt nya insikter som den inte var skapt för från början och ge oss ny förståelse.

– På längre sikt hoppas jag att det blir ett skifte där det här sättet att förstå biologi, och egentligen förstå vad som helst, har blivit en självklarhet. Det vill säga att folk slutar generera en massa åsikter och delinsikter som spretar åt alla möjliga håll, och att vi i stället kan förstå samband mellan mängder av olika data och skapa en helhetsbild. Men det ska inte bara bygga på forskares experiment. Även privatpersoners erfarenheter ska kunna bidra till en gemensam kunskapsmassa som beskriver vår förståelse för hur den mänskliga kroppen fungerar.

Mer om forskningen Visa/dölj innehåll

Senaste nytt från LiU Visa/dölj innehåll