Het euHeart-project

Ieder jaar sterven ongeveer 1,9 miljoen mensen in de Europese Unie (EU) aan hart- en vaatziekten, waarvan de bijbehorende jaarlijkse zorgkosten worden geraamd op 105 miljard euro. Ongeveer de helft van deze sterfte betreft mensen die eerder een hartaanval hebben doorgemaakt, van wie de meeste hartfalen krijgen voordat ze overlijden. In de EU wonen momenteel ongeveer 10 miljoen patiënten met hartfalen, dat bij volwassenen een van de meest voorkomende redenen voor ziekenhuisopname is. Het vinden van betere behandelmethoden voor kransslagaderlijden en chronisch hartfalen wordt dan ook gezien als een zeer effectieve manier om het verlies aan mensenlevens en de financiële last van deze invaliderende aandoeningen terug te dringen.

Het nieuw opgerichte ‘euHeart’-consortium bestaat uit 16 wetenschappelijke onderzoeksorganisaties en academische, industriële en medische organisaties uit 6 verschillende Europese landen. Het consortium gaat werken aan verbetering van de diagnostiek, de therapieplanning en de behandeling van hart- en vaatziekten door computermodellen te ontwikkelen die het normale en het ziektegebonden gedrag van het hart en de aorta van de individuele patiënt simuleren.

Deze computermodellen worden gevoed met informatie over hoe specifieke hartaandoeningen de functie van het hart op molecule-, cel-, weefsel- en orgaanniveau aantasten. Daarmee krijgen artsen de mogelijkheid om de effecten van verschillende therapiekeuzen te onderzoeken op een virtueel model van het hart en de aorta van de patiënt, waarna die interventie kan worden uitgevoerd die de beste klinische uitkomst biedt. De beschikbaarheid van instrumenten voor klinische besluitvorming die gebruikmaken van deze geïndividualiseerde hartmodellen kan derhalve de uitkomst verbeteren voor patiënten met een levensbedreigende aandoening als hartfalen, kransslagaderlijden, een hartritmestoornis of een aangeboren hartafwijking.

Van moleculen tot organen

Een kenmerk van biologische complexiteit is de intrinsieke interactie van fysiologische gedragingen binnen verschillende tijdschalen en op verschillende anatomische niveaus. De binnen het euHeart-project ontwikkelde computermodellen gaan daarom verbanden leggen tussen het gebeuren op cellulair c.q. microvasculair niveau en het gebeuren op weefselniveau, en tussen het gebeuren op weefselniveau en het gebeuren op orgaanniveau. Hiervoor is het nodig bestaande en toekomstige modellen uit vele verschillende gebieden van biologisch-wetenschappelijk onderzoek (zoals moleculaire biologie, biochemie, biofysica, anatomie en fysiologie) te integreren en met elkaar te verbinden. Deze taak is uitvoerbaar door gebruik te maken van gestandaardiseerde markup-talen, zoals CellML en FieldML, om die modellen te beschrijven.

Patiëntspecifiek

Het belangrijkst is dat het resulterende, uitgebreide model zodanig aanpasbaar is dat het de aandoening van het hart van een specifieke patiënt weerspiegelt. Daarbij wordt gebruikgemaakt van anatomische en functionele informatie die verkregen is met diagnostische technieken als medische beeldvorming (CT, MRI, echografie, etcetera), bloedstroom- en bloeddrukmetingen, en elektrocardiogrammen. Op intracellulair niveau zou zo’n model zelfs rekening kunnen houden met specifieke gendefecten van individuele patiënten. 

Wanneer een arts kan werken met een geïndividualiseerd model van het hart van de patiënt, kan hij of zij meer inzicht krijgen in de ziekte van die patiënt. Daardoor kan de arts een nauwkeuriger diagnose stellen, de waarschijnlijke effectiviteit van verschillende behandelingen voorspellen en de planning van de therapie verbeteren. Daarnaast kunnen de modellen tot verbeteringen leiden bij de ontwikkeling en programmering van implanteerbare apparaten, zoals pacemakers, apparaten die de werking van de linker kamer ondersteunen (hulppompen) en endovasculaire implantaten (speciale gaasvormige buisjes die de slagaderwand verstevigen).

Planning van de therapie

Omdat het bouwen van het model veel tijd kost, vooral wat betreft het voor diagnostische doeleinden integreren van pathologieën van molecule- tot orgaanniveau, zijn de eerste toepassingen waarschijnlijk te vinden op het gebied van therapieplanning bij reeds gediagnosticeerde aandoeningen, zoals hartritmestoornissen, die in sommige gevallen tot plotselinge hartdood kunnen leiden.

Hartritmestoornissen zijn meestal het gevolg van abnormale elektrische activiteit in het hart en worden soms behandeld met een minimaal invasieve procedure met de naam radiofrequente (RF) ablatie. Bij deze procedure wordt een katheter in het hart van de patiënt ingebracht waarmee de elektrische activiteit van het hart wordt gemeten. Het weefsel dat verantwoordelijk is voor de verspreiding van abnormale elektrische signalen wordt vervolgens vernietigd met hitte die met RF-energie aan de punt van de katheter wordt opgewekt (vergelijkbaar met opwarmen in een magnetron). Dit is een tijdrovende procedure die zwaar leunt op de ervaring die de arts heeft met het beslissen welk weefsel vernietigd moet worden – een taak die wordt bemoeilijkt door het feit dat de elektrische activiteit in ieder hart weer net even anders is. Met behulp van een computermodel dat de unieke structuur en functie, met inbegrip van de elektrische activiteit, van het hart van de patiënt weerspiegelt, kan de arts de resultaten van vernietiging van verschillende weefselgebieden testen voordat de operatie daadwerkelijk op de patiënt wordt uitgevoerd.

Behalve op RF-ablatie bij hartritmestoornissen richt het euHeart-project zich op klinische aandachtsgebieden als hartfalen (cardiale resynchronisatietherapie, chirurgie van aangeboren hartafwijkingen, apparaten die de werking van de linker kamer ondersteunen), kransslagaderlijden en ziekten/defecten van de hartkleppen en de aorta.

Werkpakketten

Het euHeart-project is opgedeeld in een aantal werkpakketten: beheer van gegevensbestanden/validatie van individuele (sub)modellen en de onderlinge koppeling tot grotere structurele/functionele modellen, ontwikkeling van geschikte markup-talen en communicatie-infrastructuren voor het beschrijven/uitwisselen van modellen, de individualisering van anatomische modellen met behulp van beeldgegevens, de biofysische (structurele en functionele) individualisering van de modellen. De klinische relevantie van het project wordt gewaarborgd door bijkomende toepassingenwerkpakketten gericht op ontwikkeling van specifieke modellen voor elk van bovengenoemde klinische aandachtsgebieden, dat wil zeggen het toesnijden van het model op een specifieke aandoening.

Financiering

Het euHeart-project, waarbij Philips Research fungeert als projectcoördinator, loopt vier jaar en beschikt over een budget van ongeveer 19 miljoen euro, waarvan ongeveer 14 miljoen euro door de Europese Unie wordt bijgedragen als onderdeel van het 7e Framework-programma van de EU. Het project maakt deel uit van het Virtual Physiological Human-initiatief, een internationale, gezamenlijke inspanning gericht op het produceren van een zodanig computermodel van het gehele menselijke lichaam dat het als enkelvoudig, complex systeem kan worden onderzocht.

Leden van het euHeart-consortium (in alfabetische volgorde)

Academisch Medisch Centrum Amsterdam (Nederland), Berlin Heart (Duitsland), Deutsches Krebsforschungszentrum (Duitsland), HemoLab (Nederland), Hospital Clínico San Carlos de Madrid Insalud (Spanje), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (Frankrijk), Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Frankrijk), King’s College London (Verenigd Koninkrijk), Philips Healthcare (Nederland, Spanje), Philips Research (Duitsland), PolyDimensions (Duitsland), Universitat Pompeu Fabra (Spanje), Universität Karlsruhe (Duitsland), University of Oxford (Verenigd Koninkrijk), University of Sheffield (Verenigd Koninkrijk), Volcano Europe SA/NV (België).