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"This book describes the revolutionary efforts underway to build virtual humans - from cells and organs to whole bodies and populations. Virtual human technology has extraordinary potential, but also poses enormous computational challenges. Digital doppelgèangers of patients will be able to usher in an era of truly personalized medicine, in which virtual drug trials can be conducted on thousands of digital twins, and "health-casts" can give you an idea of what a change in diet and lifestyle would really mean for you. Your "virtual you" will change your healthcare and potentially extend your lifespan (while also raising philosophical and ethical questions). However, numerous challenges and problems need to be solved to build such virtual versions of humans and to make truly personalized and predictive medicine possible. These challenges largely reside in the domains of the computer and physical sciences, and they are the real focus of this book. Building a "virtual you" touches on a wide range of deep scientific issues: how detailed the models need to be; what is currently possible to model; the problems inherent to simulating chaos and complexity; how to stitch together different kinds of mathematical models; the need for the realization of new forms of computing, such as quantum computation; and how all this relates to the limits of what we can simulate digitally and the future of computer modeling. The book ends on a provocative note, claiming that although we will be able to go far with next generation exascale and quantum computers, we will need to return to the technology of analog machines in order to simulate the complexity of the human body and perhaps harness the properties of special metamaterials to solve equations by manipulating beams of light"--
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Peter Coveney und Roger Highfield über den Weg zu umfassenden digitalen Modellen in der Medizin
Morgen scheint zunächst die Sonne, nachmittags ziehen Wolken auf, es wird stürmisch. So wie einem die Wettervorhersage jeden Tag verrät, ob man einen Regenschirm mitnehmen sollte, könnte es in Zukunft eine tägliche Vorhersage für die eigene Gesundheit geben. Das würde dann etwa so klingen: Morgens werden Sie stark husten, gegen 18 Uhr steigt Ihr Blutdruck gefährlich an. Die Basis für diesen "Healthcast" wäre der eigene digitale Zwilling, dessen Algorithmen mit allen vorhandenen Röntgenbildern, Blut-Untersuchungen und sonstigen Gesundheitsdaten gespeist wurden. Seine digitale Leber arbeitet so wie Ihre, er trägt das gleiche Krebsrisiko und ist auch wie Sie allergisch gegen Erdnüsse.
Der "Healthcast" gehört zur Vision der digitalen Zwillinge, die Peter Coveney, Direktor am Centre for Computational Science des University College London, und der Wissenschaftsjournalist Roger Highfield in ihrem Buch entwerfen. Die Idee dieser Zwillinge geistert seit einigen Jahren durch die Wissenschaft. Ziel ist die sogenannte Präzisionsmedizin: Mit solchen Computer-versionen des Patienten ließe sich testen, ob etwa ein Krebsmedikament anschlagen wird, wie sich eine bestimmte Diät auf den Körper auswirkt oder welche genetisch bedingten Krankheiten ihn heimsuchen werden. Die groben Kategorien "krank" und "gesund" wären obsolet, alles wäre individuell.
Für den digitalen Zwilling müssten allerdings sämtliche Vorgänge in allen Körperzellen eines Menschen digital abgebildet werden. Wie soll das gehen? Die enormen Herausforderungen eines solchen Unterfangens schildern Coveney und Highfield in den ersten Kapiteln ihres Buches. Zunächst braucht es dafür gigantische Datenmengen. Der Körper besteht aus 37,2 Billionen Zellen, verfügt über mehr als 20.000 Gene, und selbst wenn alles kategorisiert wäre, bleiben viele Vorgänge im Körper unverstanden. Ein Organismus ist mehr als die Summe seiner Teile.
Um aus einer Datenflut von Körpermaßen, Proteinfunktionsweisen und Genanomalien ein digitales Modell zu basteln, braucht es Theorie, Mathematik und hochleistungsfähige Computer. Biologie und Medizin fußen auf Experimenten und Individualität. Was man nicht weiß, muss getestet werden und kann kaum, wie etwa in der Mathematik oder Physik, auf der Basis von Formeln und Theorien vorhergesagt werden. Für den digitalen Zwilling müssen sich diese Disziplinen vereinen, fordern die Autoren, es brauche auch in den Lebenswissenschaften "mehr Theorie".
Bei den mathematischen Grundlagen steigen die Autoren noch auf niedrigem Niveau ein. Doch dann wird es schnell kompliziert. Denn um einen digitalen Zwilling zu basteln, braucht man wenig Medizin und sehr viel Mathematik. Der Schlüssel zum "Virtual You" sind effiziente Computer und Künstliche Intelligenz. Auch in diesen Kapiteln zu Technologien beginnen die Autoren mit den Grundlagen, etwa bei der ganz und gar analogen Rechenmaschine Antikythera im antiken Griechenland, doch schnell erreichen sie höhere Sphären, in denen sich der Laie nicht mehr ohne Weiteres orientieren kann. Allerdings wird einem die Größe der Anforderungen an die Technik klar, wenn geschildert wird, wie Forscher im Jahr 2016 Krebsmedikamente am Supercomputer des Leibniz-Rechenzentrums bei München testen wollten: Um etwa 100 Wirkstoffe gegen Krebs digital zu erproben, musste eine Wartungspause abgewartet werden, damit alle Kapazitäten des Supercomputers für eineinhalb Tage genutzt werden konnten. Das entsprach etwa der Leistung, als würden ein Viertel Millionen Menschen an ihrem gewöhnlichen Computer arbeiten.
In den letzten Kapiteln listen die Autoren verschiedene Projekte auf, in deren Rahmen bereits digitale Modelle des Menschen genutzt werden, allerdings nur einzelner Organe oder Prozesse. Da gibt es etwa das Programm "AlphaFold", das die Entfaltung von Proteinen simuliert. Oder die Nutzung von Software, um digitale Versionen der Gehirne von Tumorpatienten zu erstellen. Andere Wissenschaftler beschäftigen sich mit digitalen Lungen, digitalen Därmen, digitalen Bakterien und Viren. Und auch in der Medikamentenforschung spielen digitale Modelle eine Rolle, etwa um herauszufinden, wie ein Wirkstoffkandidat an einen Rezeptor bindet.
Man hat an vielen Stellen das Gefühl, die Projekte stünden kurz vor dem Durchbruch, doch wie sich das alles zu einer einzigen digitalen Version eines Menschen zusammenfügen soll, scheint noch unklar - und erst recht, wie das für alle Menschen der Welt möglich sein könnte. Man vermag auch zum Ende des Buchs den Enthusiasmus der Autoren nicht ganz zu teilen, wenn sie verkünden, dass es schon innerhalb der nächsten 20 Jahre so weit sein wird.
Doch im Vorwort weist der Ribosomenforscher und Nobelpreisträger Venkatraman Ramakrishnan auf eine universale Eigenschaft von neuen Technologien hin: Zunächst funktionieren sie nur holprig und scheinen überflüssig, dann plötzlich sind sie aus dem Leben nicht mehr wegzudenken. Und: Man überschätzt ihre kurzfristigen Möglichkeiten - und unterschätzt die langfristigen Folgen. Wie der digitale Zwilling sich auswirken könnte, wird bei Coveney und Highfield nicht klar. Ethische Fragen bleiben bei ihnen außen vor, auch die medizinischen Möglichkeiten werden im Vergleich nur merkwürdig knapp geschildert, wenn man bedenkt, dass sie das erklärte Ziel des ganzen Aufwands sind. "Virtual You" ist insgesamt ein interessantes Buch für mathematisch und informatisch präparierte Leser, die sich für Entwicklungen in der Medizin interessieren, und auch für fachlich weniger vorbereitete Laien, die bereit sind, etwas Mühe auf sich zu nehmen, um dieses Terrain kennenzulernen. JOHANNA KUROCZIK
Peter Coveney, Roger Highfield: "Virtual You". How building your digital twin will revolutionize medicine and change your life.
Princeton University Press, Oxford 2023. 336 S., Abb., geb., 26,- Euro.
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"Virtual You is the most comprehensive and comprehensible account so far of the way in which the revolution in computing and data is starting to transform human biology and medicine."—Clive Cookson, Financial Times