Przykłady udanych projektów – Modelowanie wieloskalowe w służbie zdrowia
Nagromadzenie płytek miażdżycowych w tętnicy wieńcowej może oznaczać, że serce nie otrzymuje dostatecznej ilości tlenu, oraz istnieje ryzyko zablokowania, co może prowadzić do ataku serca. Standardową procedurą w takiej sytuacji jest przeprowadzenie angioplastyki, która polega na mechanicznym poszerzeniu zwężonego lub zablokowanego naczynia krwionośnego. Lekarze otwierają powstały zator, by przywrócić przepływ krwi, ale przeczyszczona tętnica nie jest zazwyczaj wystarczająco mocna, by utrzymać przepływ bez pewnej pomocy. Wprowadzany jest więc stent, który zostaje umieszczony w arterii, zapewniając jej drożność. Pacjent ma wówczas ranę wewnątrz tętnicy, która wymaga pewnego czasu na zagojenie się. W większości przypadków wokół stentu narasta tkanka i pacjent może prowadzić normalne życie. Jednakże, w około 10% takich przypadków, sprawy przybierają niedobry obrót, gdy wewnątrz arterii tworzy się niepożądana tkanka. Taka sytuacja diagnozowana jest jako restenoza w stencie (ISR), polegająca na rozwoju nowotworzonej tkanki, która posiada potencjał do zablokowania tętnicy. Jeśli do tego dochodzi, może zajść konieczność przeprowadzenia dalszego leczenia. Ten właśnie problem był siłą napędową do zainicjowania projektu pod nazwą „Złożone symulacje automatów komórkowych” (Coast), finansowanego przez UE w celu zbudowania ram dla wieloskalowych, wielodyscyplinarnych symulacji. Celem projektu nie było jedynie ulepszenie samego leczenia, ale raczej opracowanie złożonego automatu komórkowego (CxA), zdolnego do symulacji i syntezy złożonych modeli matematycznych w szerokim zakresie skali, określanym mianem „od molekuły do człowieka”. „Projekt Coast dotyczy modelowania w wielu skalach lub w skrócie MSM”, mówi Alfons Hoekstra, profesor nauk informatycznych na Uniwersytecie Amsterdamskim i koordynator projektu Coast. „Mniej więcej 10 lat temu zdaliśmy sobie sprawę, że w naukach, biologii i opiece zdrowotnej, zawsze studiowaliśmy systemy w pewnej skali, powiedzmy, przy pewnym powiększeniu, odpowiednim dla naszych mikroskopów. Powiększaliśmy obrazy, by zobaczyć organy, tkanki, komórki i staraliśmy się zrozumieć nasze ciało w różnych, odrębnych skalach. Od czasu rozpracowania ludzkiego genomu, byliśmy zdolni do prowadzenia analizy począwszy od poziomu molekularnego, a skończywszy na całym organizmie człowieka; a przecież występują tu złożone procesy, które zachodzą w różnych skalach”, wyjaśnia dalej. Lepsze zrozumienie zjawiska restenozy (ISR) — a w rezultacie tego znalezienie lepszego sposobu leczenia — wykorzystane zostało jako przykład wieloskalowej aplikacji biomedycznej, mającej na celu uzyskanie weryfikacji czy osiągalne mogą być ramy wieloskalowych i wielodyscyplinarnych symulacji. „Właściwie cały projekt Coast prowadzony był z myślą o ISR", powiedział Pan Hoekstra. „Jest to bardzo wymagająca aplikacja. Obejmuje ona cały szereg wariantów wieloskalowych sprzężeń, jakie sobie można wymyślać.” W celu dokładnego zbadania w jaki sposób działa ludzkie ciało, naukowcy starają się stworzyć symulację każdej komórki organizmu oraz wszystkich protein w komórkach, by zrozumieć co się w nich dzieje. Problem polega na tym, że żaden komputer na świecie nie jest zdolny do osiągnięcia takiego celu. Dlatego też jednym z rozwiązań może być rozpatrywanie rzeczy w większej skali, powiedzmy, w większych blokach. Ale wówczas badający mogą nie uzyskać wszystkich informacji, jakich potrzebują, by zanalizować proces. Toteż koncepcją zastosowaną w projekcie Coast było jednoczesne zastosowanie zarówno symulacji w wielkiej skali, jak też w małej skali, oraz znalezienie sposobu sprzężenia ich razem ze sobą. Osiągnięcie tego stanu było zasadniczym celem finansowanego przez UE projektu. Toteż pomimo, iż specyficzny cel projektu związany był z ISR, to usiłowano także odpowiedzieć na szersze pytanie, czy zachodzi możliwość zastosowania modelu do symulacji innych części ciała i uzyskania współdziałania interdyscyplinarnego. Wykorzystanie narzędzia „Muscle” By zastosować takie opisane, wieloskalowe sprzężenia, do symulacji modeli wieloskalowych, zespół projektowy opracował narzędzie komputerowe pod nazwą „Biblioteka sprzężeń wieloskalowych i środowisko” (Muscle). W celu prowadzenia badania zjawiska ISR, zespół projektowy wybrał i zbudował indywidualne, jednoskalowe modele odpowiednich podprocesów biologicznych i fizycznych. W projekcie Muscle zintegrowano następnie te złożone współdziałania, stosownie do ich szczególnych skali czasowych i przestrzennych. „We wszystkich tych modelach wieloskalowych, dostępne są zazwyczaj modele jednoskalowe”, mówi Pan Hoekstra. „One tam po prostu istnieją. Należy je skleić ze sobą i w projekcie Muscle zapewniono taką operację. Mapa separacji skali zapewnia więc obrazowe przedstawienie sytuacji, pomagając biologom w organizacji ich wiedzy, toteż dzięki temu projekt Coast stał się również narzędziem jakościowego modelowania.” Projekt Muscle jest również otwarty i dostępny do użytku naukowców. Ramy opracowane podczas projektu Coast wykorzystane zostały do wypróbowania i zdobycia wiedzy na temat zjawiska restenozy ISR. „Nasze symulacje pozwalają nam teraz na przetestowanie hipotez związanych z prostymi pytaniami, takimi jak „dlaczego następuje restenoza w stencie i dlaczego ulega ona zatrzymaniu?”, mówi Pan Hoekstra. Testowanie takiej hipotezy zapewni biologom informacje o sposobach przeprowadzenia nowych eksperymentów. Takie eksperymenty, prowadzone w oparciu o symulację, powinny umożliwić głębsze zrozumienie zjawiska ISR. Wirtualny fizjologiczny człowiek Koncentracja badań podczas realizacji projektu Coast na zjawisku ISR, prowadzi do ustalenia znacznie szerszych celów badań, a mianowicie: opracowania modelu wirtualnego, fizjologicznego organizmu człowieka (VPH). Koncepcja taka uzyskuje obecnie znaczne dofinansowanie przez ICT, toteż stworzono już dużą sieć doskonałych projektów. Dzięki finansowaniu ze strony UE, w Europie stworzono bardzo silną bazę naukową na temat VPH. Wypracowano dotąd metodologię i ramy technologiczne w zakresie koncepcji VPH, co pozwoli na wspólne badanie ciała ludzkiego jako jednego złożonego systemu. Koncepcja VPH będzie obejmowała zintegrowane modele komputerowe mechanicznych, fizycznych i biochemicznych funkcji żywego organizmu człowieka. „Z punktu widzenia technologii informacyjno-komunikacyjnych (ICT), cała wizja VPH jest bardzo ambitnym przedsięwzięciem”, mówi Pan Hoekstra. ”Tutaj właśnie można zająć się zjawiskiem ISR — jako jednym z zastosowań VPH. Społeczność naukowa VPH stara się promować takie koncepcje. Sądzę, że VPH jest częścią „uzdrowienia wizji ICT”, toteż zaczynamy obserwować wzajemną wpółpracę grup badaczy.” Pan Hoekstra uważa, że obecnie pracuje się nad mniej więcej 15 — finansowanymi przez UE — projektami dotyczącymi VPH. „Istnieje olbrzymie zainteresowanie tym zagadnieniem, a zwłaszcza tworzeniem modeli, umożliwiających zrozumienie fizjologii ludzkiego organizmu oraz poprawą ludzkiego zdrowia”, twierdzi. „Można to podsumować dwoma określeniami: od komórki do organizmu człowieka, albo od DNA do schorzenia.” Dzięki badaczom VPH, można teraz jak najlepiej wykorzystać podwaliny położone podczas projektu Coast. Tutaj właśnie urzeczywistnia się prawdziwy postęp w badaniach technologii informacyjno-komunikacyjnych (ICT). „Najważniejsze jest to, że modele zostały zweryfikowane”, wyjaśnia Pan Hoekstra. „Wprawdzie projekt Coast został zakończony, ale kontynuowane są inne projekty na ten temat. Na przykład, w ramach projektu o nazwie „Projektowanie urządzeń medycznych z zastosowaniem w schorzeniach sercowo-naczyniowych” (Meddica), postawiono na ulepszanie instrumentacji medycznej, takiej jak sztuczne zastawki serca, stenty, itp.” Przyszłość Pan Hoekstra uważa, że projekt Coast umożliwił doprowadzenie badaczy do punktu, w którym mogą oni rzeczywiście poczynić postępy w dziedzinie modelowania wieloskalowego oraz zastosowania go dla zdrowia ludzkiego. „Nadszedł czas, by rozszerzyć takie aplikacje na inne systemy, nie tylko problemy wieńcowe”, mówi. „W ramach projektu Coast nie omawiano spraw z producentami, ale podczas realizacji projektu Meddica będzie to robione. Jesteśmy teraz na etapie umożliwiającym współpracę z producentami oraz dyskusję na temat naszych wyników. Przedtem nie byliśmy do tego przygotowani.” Zamiarem nowego projektu, którego rozpoczęcie przewiduje się na październik 2010 roku, a zakończenie na rok 2013, leży znalezienie najlepszych komputerów pracujących z modelami wieloskalowymi, przy zastosowaniu paradygmatów opracowanych w projekcie Coast. Konieczne będzie sprzężenie komputerów z obszaru Europy, oraz powiązanie prac przedstawicieli zasadniczo odmiennych dyscyplin, takich jak badaczy pracujących z nanomateriałami, hydrologów, oraz badaczy VPH.