Forscher der Universität Galway haben digitale Babys entwickelt, um die Gesundheit von Säuglingen in den entscheidenden ersten 180 Lebenstagen besser zu verstehen. Das Team erstellte 360 fortschrittliche Computermodelle, die die einzigartigen Stoffwechselprozesse jedes Babys simulieren. Die digitalen Babys sind die ersten geschlechtsspezifischen computergestützten Ganzkörpermodelle, die den Stoffwechsel von Neugeborenen und Säuglingen mit 26 Organen, sechs Zelltypen und mehr als 80.000 Stoffwechselreaktionen darstellen.
Digitale Babys bahnbrechend
Reale Daten von 10.000 Neugeborenen, darunter Geschlecht, Geburtsgewicht und Metabolitenkonzentrationen, ermöglichten die Erstellung und Validierung der Modelle, die personalisiert werden können – so können Wissenschaftler den Stoffwechsel eines einzelnen Säuglings für Anwendungen in der Präzisionsmedizin untersuchen. Die Arbeit wurde von einem Team von Wissenschaftlern des Digital Metabolic Twin Centre der Universität Galway und der Universität Heidelberg unter der Leitung von Professor Ines Thiele, Principal Investigator bei APC Microbiome Ireland, durchgeführt. Die Forschung des Teams zielt darauf ab, die Präzisionsmedizin mithilfe von Computermodellen voranzubringen. Sie beschreiben die Computermodellierung von Babys als bahnbrechend, da sie das Verständnis des Stoffwechsels von Säuglingen verbessert, und Möglichkeiten zur Verbesserung der Diagnose und Behandlung von Erkrankungen in den ersten Lebenstagen eines Babys, wie beispielsweise erblichen Stoffwechselerkrankungen, schafft.
Die Hauptautorin Elaine Zaunseder von der Universität Heidelberg erklärt: „Babys sind nicht einfach kleine Erwachsene – sie haben einzigartige Stoffwechselmerkmale, die ihnen eine gesunde Entwicklung und ein gesundes Wachstum ermöglichen. Beispielsweise benötigen Babys aufgrund ihres hohen Verhältnisses von Oberfläche zu Masse mehr Energie zur Regulierung ihrer Körpertemperatur, aber in den ersten sechs Lebensmonaten können sie noch nicht zittern, sodass Stoffwechselprozesse dafür sorgen müssen, dass der Säugling warm bleibt. Daher war es ein wesentlicher Teil dieser Forschungsarbeit, diese Stoffwechselprozesse zu identifizieren und in mathematische Konzepte zu übersetzen, die im Rechenmodell angewendet werden können. Wir haben den Stoffwechsel organspezifisch erfasst, was die einzigartige Möglichkeit bietet, den organspezifischen Energiebedarf zu modellieren, der bei Säuglingen im Vergleich zu Erwachsenen sehr unterschiedlich ist.“
Modelle helfen dabei, den Stoffwechsel gesunder Säuglinge sowie von jenen mit erblichen Stoffwechselerkrankungen zu untersuchen
Da Ernährung der Treibstoff für den Stoffwechsel ist, können die Forscher in ihren Modellen Muttermilchdaten von echten Neugeborenen verwenden, um den damit verbundenen Stoffwechsel im gesamten Körper des Babys, einschließlich verschiedener Organe, zu simulieren. Auf der Grundlage ihrer Ernährung haben sie die Entwicklung digitaler Babys über sechs Monate simuliert und gezeigt, dass sie genauso schnell wachsen wie echte Säuglinge. Professor Ines Thiele, Studienleiterin des Projekts, sagte: „Neugeborenen-Screening-Programme sind entscheidend für die Früherkennung von Stoffwechselerkrankungen, die Verbesserung der Überlebensraten von Säuglingen und der Gesundheitsergebnisse. Die Variabilität, mit der diese Krankheiten bei Babys auftreten, unterstreicht jedoch die dringende Notwendigkeit personalisierter Ansätze für das Krankheitsmanagement.“
Mit ihren Modellen können Forscher den Stoffwechsel gesunder Säuglinge sowie von jenen mit erblichen Stoffwechselerkrankungen untersuchen, darunter auch solche, die im Rahmen von Neugeborenenscreenings untersucht werden. Bei der Simulation des Stoffwechsels von Säuglingen mit einer Erkrankung zeigten die Modelle, dass sie bekannte Biomarker für diese Erkrankungen vorhersagen können. Darüber hinaus sagten die Modelle die Stoffwechselreaktionen auf verschiedene Behandlungsstrategien genau voraus und stellten damit ihr Potenzial für den klinischen Einsatz unter Beweis. Laut Elaine Zaunseder ist diese Arbeit ein erster Schritt zur Erstellung digitaler Stoffwechselzwillingsmodelle für Säuglinge, die einen detaillierten Einblick in ihre Stoffwechselprozesse bieten. Solche digitalen Zwillinge haben das Potenzial, die pädiatrische Gesundheitsversorgung zu revolutionieren, indem sie eine maßgeschneiderte Behandlung der einzigartigen Stoffwechselbedürfnisse jedes einzelnen Säuglings ermöglichen.
